KR100723748B1 - 집전체 시트 및 전기화학 소자 - Google Patents

집전체 시트 및 전기화학 소자 Download PDF

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히데오 가이야
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

전기화학 소자용 전극에 이용하는 전극합제를 담지하기 위한 집전체 시트로서, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 것을 특징으로 하는 집전체 시트를 제공한다. 상기 집전체 시트로서는, 절연시트를 포함하고, 도전부가, 절연시트의 표면에 형성된 도전층으로 이루어지고, 절연부가, 절연시트의 노출부로 이루어지는 집전체 시트, 도전시트를 포함하고, 절연부가, 도전시트의 표면에 형성된 절연층으로 이루어지고, 도전부가, 도전시트의 노출부로 이루어지는 집전체 시트, 동일면을 따라서 배치된 도전시트부 및 절연시트부로 이루어지고, 도전부가, 도전시트부의 표면으로 이루어지고, 절연부가, 절연시트부의 표면으로 이루어지는 집전체 시트를 들 수 있다.

Description

집전체 시트 및 전기화학 소자{COLLECTOR SHEET AND ELECTROCHEMICAL DEVICE}
본 발명은, 전기화학 소자용 전극에 이용하는 전극합제(電極合劑)를 담지하기 위한 집전체 시트 및 전기화학 소자에 관한 것이다.
전자·전기기기의 소형화·경량화에 수반하여, 전기화학 소자, 특히 2차전지에 대한 소형화·경량화에의 요망이 강해져 오고 있다. 한편, 현행의 2차전지는, 내부구조가 복잡하고, 일정 용적당의 제품이 갖는 전기용량을 향상시키기에는 한계가 있다. 복잡한 구조가, 전지의 신뢰성의 향상을 방해하고 있는 면도 있다. 예를 들면, 전극에 접속된 집전탭 또는 집전리드가, 전극면에 있어서의 균일한 전극반응을 방해하는 경우가 있다. 만일, 리드의 절단면에 통상보다 큰 금속버(burr)가 생겼을 경우에는, 내부 단락(短絡)의 발생이 염려된다.
전기화학 소자는, 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어지는 극판군을 갖고, 극판군에는, 적층형과 권회형(捲回型)이 있다. 적층형의 극판군은, 양극과 음극을 세퍼레이터를 통하여 교대로 적층하여 얻을 수 있다. 권회형의 극판군은, 기다란 형상의 양극과 음극을 세퍼레이터를 통하여 두루 감아 얻을 수 있다. 이들 극판군은, 통상, 양극과 음극의 끝단부가 면이 일정하게 배열한 측면을 갖는다. 양극과 음극에는, 금속박과 같이, 전체가 도전부로 이루어지는 집전체 시트가 이용되어 있다. 이러한 측면으로부터 단락을 일으키지 않고 전기를 내기 위해서는, 집전탭이나 집전리드가 필요하다.
따라서, 전기화학 소자의 내부구조를 간략화하는 관점으로부터, 극판군의 측면의 하나로부터 양극을 돌출시키고, 상기 측면과는 반대측의 측면에서 음극을 돌출시켜, 집전탭이나 집전리드를 통하지 않고, 각 측면에서 직접 전기를 내는 것이 제안되어 있다. 예를 들면, 적층형의 극판군을 갖는 전지에서는, 돌출시킨 동일극성의 극판을, 소정의 금속부재를 이용하여 일체 접합하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허공개 2001-126707호 공보 참조). 또, 권회형의 극판군을 갖는 전지에서는, 돌출시킨 동일극성의 극판의 코어재와 판형상의 집전판을 접합하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허공개 2000-294222호 공보 참조).
그러나, 전극합제를 담지하기 위한 종래의 집전체 시트는, 전체가 도전부로 이루어지므로, 전극합제의 미도공부는 반드시 도전성을 갖기 때문에, 내부단락의 가능성이 높아진다고 하는 문제가 있다. 또한, 극판군의 측면의 하나로부터 양극을 돌출시키고, 상기 측면과는 반대측의 측면에으로부터 음극을 돌출시키는 경우, 집전구조가 복잡하게 되므로, 1개씩 극판군을 제작해야 하기 때문에, 극판군의 제조공정이 복잡하게 된다. 즉, 복수의 극판군을 동시에 제작할 수 없다고 하는 문제가 있다.
또한, 2차전지를 콤팩트화하는 경향 속에서, 부품개수를 줄일 수 있다고 하는 장점을 갖는 바이폴라형 전극을 구비하는 2차전지의 검토가 행해지고 있다(일본 특허공개 2000-30746호 공보 참조). 그러나, 바이폴러형 전극을 구비하는 2차전지에 있어서는, 전해액에 의한 단락을 방지하는 것이 중요하고, 제조에 연구를 필요로 하는 면도 있다.
바이폴러형 전극은 주로 적층형의 전극군에 이용되어 있다. 2차전지의 주류는 권회형이지만, 권회형의 극판군에 바이폴러형 전극이 그다지 이용되지 않는 이유로서, 극판군의 구조가 복잡하게 되는 점을 들 수 있다. 권회형의 극판군에 있어서 전극간의 절연을 확보하기 위해서는, 여러가지 연구를 필요로 하고, 구조가 복잡하게 되기 때문에, 바이폴라형 전극을 이용하는 장점은 적다.
한편, 일반적인 권회형의 극판군의 제조에 있어서는, 기다란 형상 양극으로 이루어지는 후프(hoop)와, 기다란 형상 음극으로 이루어지는 후프와, 세퍼레이터로 이루어지는 후프가 2개 필요하고, 합계 4개의 후프가 이용된다. 이 때문에 제조공정이 복잡하게 되어, 감기의 어긋남 등이 일어나기 쉽다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 집전체 시트의 표면에 도전부와 절연부를 공존시키는 것에 의해, 상기 문제의 해결을 꾀하는 것이다. 본 발명에 의하면, 집전체 시트의 도전부에 전극합제를 담지하는 한편, 절연부는 전극합제를 담지하는 일 없이 노출시키는 것이 가능하다. 이러한 구조에 의하면, 집전체 시트의 전극합제의 미도공부는 절연부로 이루어지기 때문에, 내부단락의 가능성은 크게 저감한다. 또한, 집전부에는, 한쪽의 전극의 집전체 시트의 도전부와 한쪽의 전극의 집전체 시트의 절연부가 교대로 배열하는 것이 가능하여, 집전구조가 간략화된다. 이와 같이, 본 발명에 의하면, 집전구조가 간략하고, 신뢰성이 높고, 높은 전기용량을 갖는 전기화학 소자를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 동시에 복수의 전기화학 소자를 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서는, 상기와 같은 구조를 갖는 전기화학 소자는, 안전성을 한층 더 향상시키는 관점으로부터, 만일 단락 등이 생겼을 경우에 대해도, 과전류를 차단하기 위한 기능을 구비하고 있다.
본 발명은, 어느 형태에 있어서는, 고용량으로, 컴팩트화가 가능한 바이폴라형 전극을 구비하는 2차전지를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 바이폴라형 전극을 이용하는 경우에 있어서도, 권회형 전지의 제조 공정을 간략화하여, 감기 어긋남의 가능성을 대폭으로 저감하는 것이 가능하다.
즉, 본 발명은, 전기화학 소자용 전극에 이용하는 전극합제를 담지하기 위한 집전체 시트로서, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 것을 특징으로 하는 집전체 시트에 관한 것이다.
표면에 도전부와 절연부를 갖는 집전체 시트로서는, 예를 들면 이하의 3종류를 들 수 있다.
(a) 절연시트를 포함하여, 상기 도전부가, 상기 절연시트의 표면에 형성된 도전층으로 이루어지고, 상기 절연부가, 상기 절연시트의 노출부로 이루어지는 집전체 시트(이하, 집전체 시트 A라고 한다).
(b) 도전시트를 포함하여, 상기 절연부가, 상기 도전시트의 표면에 형성된 절연층으로 이루어지고, 상기 도전부가, 상기 도전시트의 노출부로 이루어지는 집전체 시트(이하, 집전체 시트 B라고 한다).
(c) 동일면을 따라서 배치된 도전시트부 및 절연시트부로 이루어지고, 상기 도전부가, 도전시트부의 표면으로 이루어지고, 상기 절연부가, 상기 절연시트부의 표면으로 이루어지는 집전체 시트(이하, 집전체 시트 C라고 한다).
집전체 시트 A에 있어서, 상기 도전층은, 금속증착층 및 금속도금층으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 금속증착층은, 저항가열법, rf가열법 및 일렉트론빔법으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 방법에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
집전체 시트 B에 있어서, 상기 절연층은, 마스킹 테이프(P)로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 마스킹 테이프는, 기재 및 상기 기재에 담지된 점착제로 이루어지는 것이 바람직하다.
집전체 시트 A의 바람직한 형태에 있어서, 상기 도전층의 일부는, 집전방향에 대해서 수직인 폭방향에서 미세폭으로 형성되어 있고, 상기 미세폭부는, 일정 이상의 전류가 흘렀을 경우에 용단(溶斷)한다. 여기서, '용단'이란, 도체에 대전류가 흘렀을 때에 발생하는 주울열에 의해, 도체가 용해하고, 전류차단하는 기구를 말한다. 상기 미세폭부의 집전방향에 대해서 수직인 폭 a는, 상기 도전층의 주요부의 집전방향에 대해서 수직인 폭 A의 10% 이하인 것이 바람직하다.
집전체 시트 B의 바람직한 형태에 있어서, 상기 도전시트의 일부는, 집전방향에 대해서 수직인 홈형상이 되도록 육박(肉薄)으로 형성되어 있고, 상기 육박부는, 일정 이상의 전류가 흘렀을 경우에 용단한다. 상기 육박부의 두께 b는, 상기 도전시트의 주요부의 두께 B의 10% 이하인 것이 바람직하다.
집전체 시트 C의 바람직한 형태에 있어서, 상기 도전시트부의 일부는, 집전방향에 대해서 수직인 홈형상이 되도록 육박(肉薄)으로 형성되어 있고, 상기 육박부는, 일정 이상의 전류가 흘렀을 경우에 용단한다. 상기 육박부의 두께 C는, 상기 도전시트부의 주요부의 두께 C의 10% 이하인 것이 바람직하다.
여기서, 도전층, 도전시트 및 도전시트부의 주요부는, 전극합제층을 담지하고 있어, 전극합제로부터 전기를 집전하는 역할을 주로 담당하는 부분을 의미한다.
집전체 시트 A가 있는 모양은, 바이폴라 전극용 집전체 시트로서 바람직하다. 바이폴라 전극용 집전체 시트의 상기 도전부는, 제 1 도전층 및 제 2 도전층으로 이루어지고, 상기 제 1 도전층 및 제 2 도전층은, 각각 상기 절연시트의 한쪽의 면 및 다른 쪽의 면에 형성되어 있고, 상기 절연부가, 제 1 절연부 및 제 2 절연부로 이루어지고, 상기 제 1 절연부 및 제 2 절연부는, 각각 상기 절연시트의 한쪽의 면 및 다른 쪽의 면에 위치한다.
본 발명은, 또한, 상기의 바이폴라 전극용 집전체 시트, 제 1 도전층에 담지된 제 1 전극합제층, 및 제 2 도전층에 담지된 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 도전층이, 제 1 전극합제층을 담지하지 않는 제 1 도전층 노출부를 갖고, 제 2 도전층이, 제 2 전극합제층을 담지하지 않는 제 2 도전층 노출부를 갖고, 제 1 도전층 노출부와 제 2 도전층 노출부가, 상기 절연시트의 서로 대향하는 끝단부에 각각 위치하는 바이폴라 전극에 관한 것이다.
바이폴라 전극에 있어서는, 제 1 절연부가, 상기 절연시트의 제 1 도전층 노출부와는 반대측의 끝단부에 위치하고, 제 2 절연부가, 상기 절연시트의 제 2 도전층 노출부와는 반대측의 끝단부에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 또한, (a) 적어도 1개의 제 1 전극, (b) 적어도 1개의 제 2 전극, 및 (c) 제 1 전극과 제 2 전극과의 사이에 개재하는 세퍼레이터로 이루어지는 극판군을 갖는 전기화학 소자로서, 상기 제 1 전극(a)은, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고, 상기 제 2 전극(b)은, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 상기 각 집전체 시트가, 상기 집전체 시트 A∼C 중의 어느 하나인 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 X라고 한다)에 관한 것이다.
제 1 전극합제층은, 제 1 집전체 시트의 도전부에 담지할 수 있고, 절연부에는 담지하지 않을 수 있다. 또한, 제 2 전극합제층은, 제 2 집전체 시트의 도전부에 담지할 수 있고, 절연부에는 담지하지 않을 수 있다.
전기화학 소자 X에 있어서는, 제 1 집전체 시트의 도전부를 극판군의 제 1 측면에서 제 1 단자와 접속하고, 제 2 집전체 시트의 도전부를 극판군의 제 2 측면에서 제 2 단자와 접속할 수 있다. 또한, 제 1 집전체 시트의 절연부를 극판군의 제 2 측면에 배치하고, 제 2 집전체 시트의 절연부를 극판군의 제 1 측면에 배치할 수 있다.
전기화학 소자 X에 있어서는, 제 1 측면과 제 2 측면이, 서로 극판군의 반대측에 위치하는 것이 바람직하다.
전기화학 소자 X에 있어서는, 제 1 측면에는, 제 1 단자와 제 2 전극을 절연하기 위한 제 1 절연재료부를 설치하고, 제 2 측면에는, 제 2 단자와 제 1 전극을 절연하기 위한 제 2 절연재료부를 설치할 수 있다.
전기화학 소자 X에 있어서는, 제 1 측면 및 제 2 측면 이외의 극판군의 측면에도, 제 1 집전체 시트의 절연부 및 제 2 집전체 시트의 절연부를 배치할 수 있다. 즉, 전기화학 소자 X에 있어서는, 극판군은, 제 1 측면 및 제 2 측면 이외에, 제 1 집전체 시트의 절연부 및/또는 제 2 집전체 시트의 절연부가 배치되어 있는 측면을 가질 수 있다.
본 발명은, 또한, (a) 적어도 1개의 제 1 전극, (b) 적어도 1개의 제 2 전극, 및 (c) 제 1 전극과 제 2 전극과의 사이에 개재하는 세퍼레이터로 이루어지는 극판군을 갖는 전기화학 소자로서, 제 1 전극(a)은, 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고, 제 2 전극(b)은, 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 집전체 시트 및 제 2 집전체 시트의 적어도 한쪽이, 상기 집전체 시트 A~C 중의 어느 하나인 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 Y라고 한다)에 관한 것이다.
전기화학 소자 Y에 있어서는, 제 1 집전체 시트는, 극판군의 제 1 측면에서 제 1 단자와 접속되고, 제 2 집전체 시트는, 극판군의 제 2 측면에서 제 2 단자와 접속되어 있는 것이 바람직하다. 제 1 측면과 제 2 측면은, 서로 극판군의 반대측에 위치하는 것이 바람직하다.
전기화학 소자 Y에 있어서도, 제 1 측면에는, 제 1 단자와 제 2 전극을 절연하기 위한 제 1 절연재료부를 설치할 수 있고, 제 2 측면에는, 제 2 단자와 제 1 전극을 절연하기 위한 제 2 절연재료부를 설치할 수 있다.
전기화학 소자 Y에 있어서도, 극판군은, 제 1 측면 및 제 2 측면 이외에, 제 1 집전체 시트의 절연부 및/또는 제 2 집전체 시트의 절연부가 배치되어 있는 측면을 가질 수 있다. 즉, 제 1 측면 및 제 2 측면 이외의 극판군의 측면에는, 제 1 집전체 시트의 절연부 및 제 2 집전체 시트의 절연부를 배치할 수 있다.
본 발명은, 또한, (a) 적어도 1개의 상기의 바이폴라 전극, 및 (b) 제 1 전극합제층과 제 2 전극합제층과의 사이에 개재하는 세퍼레이터로 이루어지는 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 Z라고 한다)에 관한 것이다. 권회형 전지에 있어서는, 상기 바이폴라 전극과 세퍼레이터는, 적층되는 것과 동시에 두루 감아져, 원통형의 극판군을 구성하고 있다.
본 발명은, 예를 들면 이하의 형태를 전부 포함한다.
복수의 제 1 전극과 복수의 제 2 전극을 세퍼레이터를 통하여 교대로 적층한 극판군을 갖는 전기화학 소자로서, 복수의 제 1 전극은, 각각 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고, 복수의 제 2 전극은, 각각 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 1 측면에서 제 1 단자와 접속되고, 제 2 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 2 측면에서 제 2 단자와 접속되고, 제 1 집전체 시트의 절연부가 제 2 측면에 배치되고, 제 2 집전체 시트의 절연부가 제 1 측면에 배치되어 있고, 각 집전체 시트는, 상기의 집전체 시트 A∼C 중의 어느 하나로 이루어지는 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 a라고 한다)이다.
복수의 제 1 전극과 복수의 제 2 전극을 세퍼레이터를 통하여 교대로 적층한 극판군을 갖는 전기화학 소자로서, 복수의 제 1 전극은, 각각 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고, 복수의 제 2 전극은, 각각 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 1 측면에서 제 1 단자와 접속되고, 제 2 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 2 측면에서 제 2 단자와 접속되고, 제 1 집전체 시트의 절연부가 제 2 측면에 배치되고, 제 2 집전체 시트의 절연부가 제 1 측면에 배치되고, 제 1 측면에는, 제 1 단자와 제 2 전극을 절연하기 위한 제 1 절연재료부가 설치되어 있고, 제 2 측면에는, 제 2 단자와 제 1 전극을 절연하기 위한 제 2 절연재료부가 설치되어 있고, 각 집전체 시트는, 상기 집전체 시트 A∼C 중의 어느 하나로 이루어지는 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 b라고 한다)이다.
복수의 제 1 전극과 복수의 제 2 전극을 세퍼레이터를 통하여 교대로 적층한 극판군을 갖는 전기화학 소자로서, 복수의 제 1 전극은, 각각 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고, 복수의 제 2 전극은, 각각 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 1 측면에서 제 1 단자와 접속되고, 제 2 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 2 측면에서 제 2 단자와 접속되고, 제 1 집전체 시트의 절연부가 극판군의 제 1 측면 이외의 전측면(全側面)에 배치되고, 제 2 집전체 시트의 절연부가 극판군의 제 2 측면 이외의 전측면에 배치되어 있고, 각 집전체 시트는, 상기 집전체 시트 A∼C 중의 어느 하나로 이루어지는 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 c라고 한다)에 관한 것이다.
복수의 제 1 전극과 복수의 제 2 전극을 세퍼레이터를 통하여 교대로 적층한 극판군을 갖는 전기화학 소자로서, 복수의 제 1 전극은, 각각 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고, 복수의 제 2 전극은, 각각 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 1 측면에서 제 1 단자와 접속되고, 제 2 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 2 측면에서 제 2 단자와 접속되고, 제 1 집전체 시트의 절연부가 극판군의 제 1 측면 이외의 전측면에 배치되고, 제 2 집전체 시트의 절연부가 극판군의 상기 제 2 측면 이외의 전측면에 배치되고, 제 1 측면에는, 제 1 단자와 제 2 전극을 절연하기 위한 제 1 절연재료부가 설치되어 있고, 제 2 측면에는, 제 2 단자와 제 1 전극을 절연하기 위한 제 2 절연재료부가 설치되어 있고, 각 집전체 시트는, 상기 집전체 시트 A∼C 중의 어느 하나로 이루어지는 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 d라고 한다)이다.
제 1 전극과 제 2 전극을 세퍼레이터를 통하여 두루 감은 극판군을 갖는 전기화학 소자로서, 제 1 전극은, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고, 제 2 전극은, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 1 바닥면에서 제 1 단자와 접속되고, 제 2 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 2 바닥면에서 제 2 단자와 접속되고, 제 1 집전체 시트의 절연부가 제 2 바닥면에 배치되고, 제 2 집전체 시트의 절연부가 제 1 바닥면에 배치되어 있고, 각 집전체 시트는, 상기 집전체 시트 A∼C의 어느 하나로 이루어지는 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 e라고 한다)이다.
제 1 전극과 제 2 전극을 세퍼레이터를 통하여 두루 감은 극판군을 갖는 전기화학 소자로서, 제 1 전극은, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고, 제 2 전극은, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 1 바닥면에서 제 1 단자와 접속되고, 제 2 집전체 시트의 도전부가 극판군의 제 2 바닥면에 서 제 2 단자와 접속되고, 제 1 집전체 시트의 절연부가 제 2 바닥면에 배치되고, 제 2 집전체 시트의 절연부가 제 1 바닥면에 배치되고, 제 1 바닥면에는, 제 1 단자와 제 2 전극을 절연하기 위한 제 1 절연재료부가 설치되어 있고, 상기 제 2 바닥면에는, 제 2 단자와 제 1 전극을 절연하기 위한 제 2 절연재료부가 설치되어 있고, 각 집전체 시트는, 상기 집전체 시트 A~C 중의 어느 하나로 이루어지는 전기화학 소자(이하, 전기화학 소자 f라고 한다)이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
실시형태 1
본 실시형태에서는, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 집전체 시트로서, 절연시트를 포함하여, 상기 도전부가, 상기 절연시트의 표면에 형성된 도전층으로 이루어지고, 상기 절연부가, 상기 절연시트의 노출부로 이루어지는 집전체 시트(집전체 시트 A)에 대해 설명한다.
도 1에, 집전체 시트 A(50)의 상면도를 나타낸다. 또한, 도 2(a)에, 집전체 시트 A의 a-a선 단면도를 나타내고, 도 3(a)에, 집전체 시트 A의 b-b선 단면도를 나타낸다.
집전체 시트 A는, 절연시트(53) 및 절연시트(53)의 양면에 설치된 도전층(54)으로 이루어지고, 도전층(54)의 표면은 도전부(51)가 되고, 절연시트(53)의 노출부는 절연부(52)가 된다.
집전체 시트 A의 표면에 있어서는, 도전부와 절연부가 공존하고 있기 때문에, 절연부가 전극합제 미도공부로 이루어지는 경우에는, 내부단락 발생의 가능성이 크게 저감한다. 예를 들면, 도 2(b), 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 전극합제(55)를 도전부(51)에만 설치한 경우, 전극합제 미도공부(61, 62)에서는, 절연시트의 표면이 노출된다. 이들 노출부는 절연성이기 때문에, 내부단락의 직접적인 원인이 되는 일은 없다. 한편, 도전층의 노출부(63)는, 집전에 이용하는 단자와의 접속개소로서 이용할 수 있다. 절연시트의 두께는, 예를 들면 0.5∼500㎛인 것이 바람직하다. 또한, 도전층의 두께는 0.01∼100㎛인 것이 바람직하다. 평탄한 표면을 갖는 통상의 절연시트를 이용해도 좋고, 천공체, 라스(lath)체, 다공질체, 네트, 발포체, 직포, 부직포 등을 이용해도 좋다. 또한, 표면에 요철을 갖는 절연시트를 이용할 수도 있다.
절연시트로서는, 예를 들면 수지시트를 이용할 수 있다. 수지시트를 구성하는 수지에는, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐 등의 올레핀계 폴리머, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트, 폴리아릴레이트 등의 에스테르계 폴리머, 폴리페닐렌설파이드 등의 티오에테르계 폴리머, 폴리스틸렌 등의 방향족 비닐계 폴리머, 폴리이미드, 아라미드수지 등의 질소함유 폴리머, 폴리4불화에틸렌, 폴리불화비닐리덴 등의 불소폴리머 등을 이용할 수 있다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합한 코폴리머, 폴리머얼로이(alloy), 폴리머브랜드 등을 이용해도 좋다.
도전층에는, 구성된 전지에 있어서 화학변화를 일으키지 않는 전자 전도체를 특별히 한정 없이 이용할 수 있다. 양극용 집전체 시트의 도전층에는, 예를 들면, 스텐레스강철, 알루미늄, 알루미늄합금, 티탄, 탄소 등을 이용할 수 있고, 특히, 알루미늄, 알루미늄합금 등을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 음극용 집전체 시트의 도전층에는, 예를 들면, 스텐레스강철, 니켈, 강철, 구리합금, 티탄 등을 이용할 수 있고, 특히, 구리, 구리합금 등을 이용하는 것이 바람직하다.
도전층을 형성하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 금속증착층 및 금속도금층으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 절연시트상에 설치하는 것이 바람직하다. 금속증착층은, 0.5㎛ 이하의 비교적 얇은 도전층이 요구되는 경우에 있어서 특히 바람직하다. 또, 금속도금층은, 0.5㎛를 넘는 비교적 두꺼운 도전층이 요구되는 경우에 있어서 특히 바람직하다.
금속증착층 및 금속도금층을 병용할 수도 있다. 예를 들면, 절연시트상에, 하지(下地)가 되는 금속증착층을 패턴증착 한 후, 그 위에, 금속도금층을 형성하는 경우에는, 패턴도금이 용이해진다. 따라서, 0.5㎛를 넘는 두께의 도전층을 원하는 형상패턴으로 형성하는 경우에는, 금속증착층과 금속도금층과의 병용이 지극히 유용하다. 금속증착층은, 어떠한 방법으로 제작해도 좋지만, 예를 들면, 저항가열법, rf가열법, 일렉트론빔법 등에 의해 제작할 수 있다. 특히, rf가열법 및 일렉트론빔법으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 방법을 채용하는 것이 바람직하다. 소정의 형상패턴을 갖는 금속증착층은, 소정형상의 개구부를 갖는 마스크를 씌운 절연시트에 증착을 행하는 것에 의해, 형성할 수 있다.
금속도금층은, 어떠한 방법으로 제작해도 좋지만, 예를 들면, 전해법, 무전해법 등의 방법에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 소정의 형상패턴을 갖는 금속도금층은, 소정형상의 개구부를 갖는 마스크로 덮인 절연시트에 도금을 행하는 것에 의해, 형성할 수 있다.
실시형태 2
다음에, 집전체 시트 A의 다른 형태(집전체 시트 A')에 대해 설명한다.
도 4에, 집전체 시트 A'(50')의 상면도를 나타낸다. 또한, 도 5(a)에, 집전체 시트 A'의 a-a선 단면도를 나타내고, 도 6(a)에, 집전체 시트 A'의 b-b선 단면도를 나타낸다.
집전체 시트 A'는, 절연시트(53') 및 절연시트(53')의 양면에 설치된 도전층(54')으로 이루어지고, 도전층(54')의 표면은 도전부(51')가 되고, 절연시트(53')의 노출부는 절연부(52')가 된다.
예를 들면, 도 5(b), 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 전극합제(55')를 도전부(51')에만 설치한 경우, 전극합제 미도공부(61', 62')에서는, 절연시트의 표면이 노출된다. 이러한 노출부는 절연성이기 때문에, 내부단락의 원인이 되는 일이 없다.
집전체 시트 A'의 도전층(54')의 일부는, 집전방향에 대해서 수직인 폭방향에서, 다른 부분보다 미세폭으로 형성되어 있고, 미세폭부(56')는, 과전류 차단부로서 기능한다. 즉, 단락 등에 의해, 통상보다 큰 전류가 미세폭부(56')를 흐른 경우에는, 미세폭부(56')가 용해하여, 전극합제를 담지하는 도전부(51')의 주요부와 집전단자와의 접속부(57')가 절단된다.
이러한 과전류 차단부는, 복수개소 설치해도 좋다. 미세폭부(56')의 집전방향에 대해서 수직인 폭 a는, 미세폭부의 설치수, 도전층의 두께, 도전층의 표면적 등에 따라서 다르지만, 도전층의 주요부의 집전방향(평균적인 전류가 흐르는 방향)에 대해서 수직인 폭 A의 10% 이하가 바람직하다. 폭 a가 지나치게 크면, 용단기구의 작동성이 크게 저하한다.
이러한 형상의 도전층은, 어떠한 방법으로 제작하더라도 좋지만, 예를 들면 금속증착층이나 금속도금층을 절연시트상에 형성하고 나서, 금속증착층이나 금속도금층을 레이저로 트리밍(trimming)하는 것에 의해 얻을 수 있다.
실시형태 3
본 실시형태에서는, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 집전체 시트로서, 도전시트를 포함하고, 상기 절연부가, 상기 도전시트의 표면에 형성된 절연층으로 이루어지고, 상기 도전부가, 상기 도전시트의 노출부로 이루어지는 집전체 시트(집전체 시트 B)에 대해 설명한다.
도 7에, 집전체 시트 B(80)의 상면도를 나타낸다. 또한, 도 8(a)에, 집전체 시트 B의 a-a선 단면도를 나타내고, 도 9(a)에, 집전체 시트 B의 b-b선 단면도를 나타낸다.
집전체 시트 B는, 도전시트(83) 및 도전시트(83)의 양면에 설치된 절연층(84)으로 이루어지고, 절연층(84)의 표면은 절연부(82)가 되고, 도전시트(83)의 노출부는 도전부(81)가 된다.
집전체 시트 B의 표면에 있어서는, 도전부와 절연부가 공존하고 있기 때문에, 절연부가 전극합제 미도공부로 이루어지는 경우에는, 내부단락 발생의 가능성이 크게 저감한다. 예를 들면, 도 8(b), 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 전극합제(85)를 도전부(81)에만 설치한 경우, 전극합제 미도공부(91, 92)에서는, 절연층의 표면이 노출된다. 이러한 노출부는 절연성이기 때문에, 내부단락의 직접적인 원인이 되는 일이 없다. 한편, 도전시트의 노출부(93)는, 집전에 이용하는 단자와의 접속개소로서 이용할 수 있다.
도전시트의 두께는, 예를 들면 0.5∼500㎛인 것이 바람직하다. 또한, 절연층의 두께는, 0.01∼100㎛인 것이 바람직하다. 평탄한 표면을 갖는 통상의 도전시트를 이용해도 좋고, 천공체, 라스체, 다공질체, 네트, 발포체, 직포, 부직포 등을 이용해도 좋다. 또한, 표면에 요철을 갖는 도전시트를 이용할 수도 있다.
도전시트로서는, 구성된 전지에 있어서 화학변화를 일으키지 않는 전자전도체를 특별히 한정 없이 이용할 수 있다. 예를 들면, 금속시트 등을 이용할 수 있다. 양극용 도전시트에는, 예를 들면, 스텐레스강철, 알루미늄, 알루미늄합금, 티탄, 탄소 등을 이용할 수 있고, 특히, 알루미늄, 알루미늄합금 등을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 음극용 도전시트에는, 예를 들면, 스텐레스강철, 니켈, 강철, 구리합금, 티탄 등을 이용할 수 있고, 특히, 구리, 구리합금 등을 이용하는 것이 바람직하다. 단독재료로 이루어지는 도전시트를 이용해도 좋고, 2종 이상의 재료로 이루어지는 합금 시트, 도금시트 등을 이용해도 좋다.
절연층에는, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐 등의 올레핀계 폴리머, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트, 폴리아릴레이트 등의 에스테르계 폴리머, 폴리페닐렌 설파이드 등의 티오에테르계 폴리머, 폴리스틸렌 등의 방향족 비닐계 폴리머, 폴리이미드, 아라미드수지 등의 질소함유 폴리머, 폴리4불화에틸렌, 폴리불화비닐리덴 등의 불소폴리머 등을 이용할 수 있다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합한 코폴리머, 폴리머얼로이, 폴리머브랜드 등을 이용해도 좋다.
절연층을 형성하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 절연재료를 도전시트에 증착시키는 것에 형성할 수 있다. 이 때, 소정의 형상패턴의 증착막이 형성되도록, 도전시트에 소정형상의 개구부를 갖는 마스크를 씌우고 나서 증착을 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 도전시트의 소정개소를, 마스킹 테이프, 절연 테이프, 수지필름 등의 절연재료로 피복하는 것에 의해, 절연층을 형성할 수도 있다.
또한, 마스킹 테이프는, 임의의 형상의 절연층을 용이하게 형성할 수 있다는 점에서, 집전체 시트의 절연부로서 바람직하다. 마스킹 테이프는, 예를 들면, 내전해액성을 갖는 재료로 이루어지는 기재와, 상기 기재에 담지된 점착제로 이루어진다. 마스킹 테이프의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 집전체 시트에 담지하는 전극합제층과 같은 두께 이하의 두께인 것이 바람직하다.
기재의 재료로서는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐 등의 올레핀계 수지; 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리시클로헥실렌 디메틸렌테레프탈레이트, 폴리아릴레이트, 폴리카보네이트 등의 에스테르계 수지; 폴리에틸렌옥시드, 폴리프로필렌옥시드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌에테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드 등의 에테르계 수지; 폴리술폰, 폴리에테르술폰 등의 술폰계수지; 폴리아크릴로니트릴, AS수지, ABS수지 등의 아크릴로니트릴계 수지; 폴리페닐렌설파이드 등의 티오에테르계 수지; 폴리스틸렌 등의 방향족 비닐계 수지; 폴리이미드, 아라미드수지 등의 질소함유 수지; 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리불화비닐리덴 등의 불소수지; 폴리메타크릴산메틸 등의 아크릴계 수지; 이러한 폴리머를 포함한 코폴리머, 폴리머얼로이 혹은 폴리머브랜드 등을 이용할 수 있다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합하여 이용해도 좋다. 이들 중에서는, 특히, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리이미드, 아라미드수지, 이러한 폴리머를 포함한 코폴리머, 폴리머얼로이 또는 폴리머브랜드 등이 바람직하다.
점착제는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 아크릴계 수지, 부틸고무계 수지 등을 이용할 수 있다.
실시형태 4
다음에, 집전체 시트 B의 다른 형태(집전체 시트 B')에 대해 설명한다.
도 10에, 집전체 시트 B'(80')의 상면도를 나타낸다. 또한, 도 11(a)에, 집전체 시트 B'의 a-a선 단면도를 나타내고, 도 12(a)에, 집전체 시트 B'의 b-b선 단면도를 나타낸다.
집전체 시트 B'는, 도전시트(83') 및 도전시트(83')의 양면에 설치된 절연층(84')으로 이루어지고, 절연층(84')의 표면은 절연부(82')가 되고, 도전시트(83')의 노출부는 도전부(81')가 된다.
예를 들면, 도 11(b), 도 12(b)에 나타내는 바와 같이, 전극합제(85')를 도전부(81')에만 설치한 경우, 전극합제 미도공부(91', 92')에서는, 절연층의 표면이 노출된다. 이러한 노출부는 절연성이기 때문에, 내부단락의 원인이 되는 일이 없다.
절연층으로 덮이지 않는 도전시트(83')의 끝단부는, 집전체 시트 B'의 집전단자와의 접속부(87')가 된다. 도전시트(83')의 이 끝단부로부터 조금 떨어진 위치에는, 집전방향에 대해서 수직인 홈형상을 갖는 육박부(86a')가 형성되어 있다. 육박부(86a')는, 과전류 차단부로서 기능한다. 즉, 단락 등에 의해, 통상보다 큰 전류가 육박부(86a')를 흐른 경우에는, 육박부(86a')가 용해되어, 전극합제를 담지하는 도전부(81')의 주요부와 집전단자와의 접속부(87')가 절단된다.
도10∼12에 나타내는 바와 같이, 육박부(86b', 86c' 및 86d')를, 전극합제를 담지하는 도전부(81')의 주요부를 둘러싸도록 더욱 설치할 수도 있다. 이 경우, 각 육박부에 통상보다 큰 전류가 흘러 용단하는 것에 의해, 전극합제를 담지하는 도전부(81')의 주요부는 완전히 고립된다. 따라서, 보다 뛰어난 전류차단기능을 기대할 수 있다.
도 13에, 도 12(a)의 부분확대도를 나타낸다. 육박부(86a')의 두께 b는, 도전시트(83')의 주요부의 두께 B의 3% 이상, 나아가서는 5% 이상이 바람직하고, 10% 이하인 것이 바람직하다. 두께 B에 대한 b의 비율이 지나치게 크면, 용단기구의 작동성이 크게 저하한다.
육박부(86b'∼86d')의 두께는, 육박부(86a')와 같지 않아도 좋지만, 육박부(86a')과 같이 두께 B의 3% 이상, 또한 5% 이상이 바람직하고, 10% 이하인 것이 바람직하다.
도전시트에 육박부를 설치하는 방법으로서는, 프레스가공법, 레이저에칭법, 화학에칭법 등이 바람직하지만, 이것들에 한정되는 것은 아니다.
실시형태 5
본 실시형태에서는, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 집전체 시트로서, 동일면을 따라서 배치된 도전시트부 및 절연시트부로 이루어지고, 상기 도전부가, 도전시트부의 표면으로 이루어지고, 상기 절연부가, 상기 절연시트부의 표면으로 이루어지는 집전체 시트(집전체 시트 C)에 대해 설명한다.
도 14에, 집전체 시트 C(110)의 상면도를 나타낸다. 또한, 도 15(a)에, 집전체 시트 C의 a-a선 단면도를 나타내고, 도 16(a)에, 집전체 시트 C의 b-b선 단면도를 나타낸다.
집전체 시트 C는, 동일면을 따라서 배치된 도전시트부(113) 및 절연시트부(114)로 이루어지고, 도전시트부(113)의 표면이 도전부(111)가 되고, 절연시트부(114)의 표면이 절연부(112)가 된다.
집전체 시트 C의 표면에 있어서는, 도전부와 절연부가 공존하고 있기 때문에, 절연부가 전극합제 미도공부로 이루어지는 경우에는, 내부단락 발생의 가능성이 크게 저감한다. 예를 들면, 도 15(b), 도 16(b)에 나타내는 바와 같이, 전극합제(115)를 도전부(111)에만 설치한 경우, 전극합제 미도공부 (121, 122)에서는, 절연시트부의 표면이 노출된다. 그러나, 이러한 노출부는 절연성이기 때문에, 내부단락의 직접적인 원인이 되는 일이 없다. 한편, 도전시트부의 노출부(123)는, 집전에 이용하는 단자와의 접속개소로서 이용할 수 있다.
도전시트부의 두께는, 예를 들면 0.5∼500㎛인 것이 바람직하다. 도전시트부로서는, 구성된 전지에 있어서 화학변화를 일으키지 않는 전자 전도체를 특별히 한정 없이 이용할 수 있다. 예를 들면, 금속시트 등을 이용할 수 있다. 평탄한 표면을 갖는 통상의 금속시트를 이용해도 좋고, 천공체, 라스체, 다공질체, 네트, 발포체, 직포, 부직포 등을 이용해도 좋다. 또한, 표면에 요철을 갖는 금속시트를 이용할 수도 있다.
양극용 도전시트부에는, 예를 들면, 스텐레스강철, 알루미늄, 알루미늄합금, 티탄, 탄소 등을 이용할 수 있고, 특히, 알루미늄, 알루미늄합금 등을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 음극용 도전시트부에는, 예를 들면, 스텐레스강철, 니켈, 강철, 구리합금, 티탄 등을 이용할 수 있고, 특히, 구리, 구리합금 등을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 단독재료로 이루어지는 도전시트를 이용해도 좋고, 2종 이상으로 이루어지는 합금시트, 도금시트 등을 이용해도 좋다.
도전시트부의 두께는, 예를 들면 0.5∼500㎛인 것이 바람직하다. 절연시트부로서는, 예를 들면 수지시트 등을 이용할 수 있다. 평탄한 표면을 갖는 통상의 수지시트를 이용해도 좋고, 천공체, 라스체, 다공질체, 네트, 발포체, 직포, 부직포 등을 이용해도 좋다. 또한, 표면에 요철을 갖는 수지시트를 이용할 수도 있다.
수지시트에 이용하는 수지에는, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐 등의 올레핀계 폴리머, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트, 폴리아릴레이트 등의 에스테르계 폴리머, 폴리페닐렌설파이드 등의 티오에테르계 폴리머, 폴리스틸렌 등의 방향족 비닐계 폴리머, 폴리이미드, 아라미드수지 등의 질소함유 폴리머, 폴리4불화에틸렌, 폴리불화비닐리덴 등의 불소 폴리머 등을 이용할 수 있다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합한 코폴리머, 폴리머얼로이, 폴리머브랜드 등을 이용해도 좋다.
도전시트부와 절연시트부를 접속하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 도전시트의 끝단부에, 절연시트의 끝단부를 용착시키는 것으로 형성할 수 있다. 또한, 접착제를 이용하여, 도전시트의 끝단부에, 절연시트의 끝단부를 접착시킬 수도 있다.
실시형태 6
다음에, 집전체 시트 C의 다른 형태(집전체 시트 C')에 대해 설명한다.
도 17에, 집전체 시트 C'(110')의 상면도를 나타낸다. 또한, 도 18(a)에, 집전체 시트 C'의 a-a선 단면도를 나타내고, 도 19(a)에, 집전체 시트 C'의 b-b선 단면도를 나타낸다. 집전체 시트 C'는, 동일면을 따라서 배치된 도전시트부(113') 및 절연시트부(114')로 이루어지고, 도전시트부(113')의 표면이 도전부(111')가 되고, 절연시트부(114')의 표면이 절연부(112')가 된다.
예를 들면, 도 18(b), 도 19(b)에 나타내는 바와 같이, 전극합제(115')를 도전부(111')에만 설치한 경우, 전극합제 미도공부(121', 122')에서는, 절연시트부의 표면이 노출된다. 이러한 노출부는 절연성이기 때문에, 내부단락의 원인이 되는 일이 없다.
절연시트부가 배치되지 않는 도전시트부(113')의 끝단부는, 집전체 시트 C'의 집전단자와의 접속부(117')가 된다. 도전시트(113)의 이 끝단부로부터 조금 떨어진 위치에는, 집전방향에 대해서 수직인 홈형상을 갖는 육박부(116a')가 형성되어 있다. 육박부(116a')는, 집전체 시트 B'와 같이, 과전류 차단부로서 기능한다.
또한, 도 17에 나타내는 바와 같이, 육박부(116b', 116c' 및 116d')를, 전극합제를 담지하는 도전부(111')의 주요부를 둘러싸도록 더욱 설치할 수도 있다.
육박부(116a'∼116d')의 두께 c는, 집전체 시트 B'와 같이, 도전시트(113')의 주요부의 두께 C의 3% 이상, 나아가서는 5% 이상이 바람직하고, 10% 이하인 것이 바람직하다.
실시형태 7
본 실시형태에서는, 집전체 시트 A를 이용한 경우를 예로 들어, 적층형 극판군을 갖는 전기화학 소자의 일례에 대해 설명한다.
도 20에, 본 실시형태에 관한 전기화학 소자의 적층형 극판군의 종단면도를 나타낸다. 도 21에는, 이 극판군의 a-a선 단면도를 나타낸다. 극판군(10)은, 교대로 적층된 복수의 제 1 전극(15a)과 제 2 전극(15b)으로 이루어지고, 제 1 전극(15a)과 제 2 전극(15b)과의 사이에는, 세퍼레이터(16)가 개재하고 있다.
제 1 전극(15a)은, 제 1 집전체 시트(13a) 및 2개의 제 1 전극합제층(14a)으로 이루어지고, 제 1 집전체 시트(13a)는, 수지시트(11a) 및 그 양면에 설치된 소정의 형상패턴을 갖는 도전층(12a)으로 이루어진다. 도전층(12a)의 표면은 제 1 집전체 시트의 도전부가 되고, 수지시트(11a)의 노출부는 절연부가 된다.
제 1 집전체 시트의 끝단부(11x, 11x' 및 11x")를 제외한 전면에는 도전층(12a)이 설치되어 있다. 도전층(12a)의 표면은 도전부가 되기 때문에, 그 위에 제 1 전극합제층(14a)이 설치되어 있다. 도전층(12a)을 갖지 않는 제 1 집전체 시트의 끝단부(11x, 11x' 및 11x")는 절연부가 된다. 끝단부(11x)의 반대측에 위치하는 끝단부(12x)에는, 집전을 위해서 이용하는 도전층(12a)의 노출부가 남아 있다.
극판군(10)은, 2종류의 제 2 전극(15b, 15b')을 포함하고 있다. 2개의 제 1 전극(15a)에서 끼워 지지되어 있는 내부의 제 2 전극(15b)은, 극판군에 있어서의 배치가 반대인 것 이외에, 제 1 전극(15a)과 같은 구조를 갖는다. 즉, 내부의 제 2 전극(15b)은, 제 2 집전체 시트(13b) 및 2개의 제 2 전극합제층(14b)으로 이루어지고, 제 2 집전체 시트(13b)는, 수지시트(11b) 및 그 양면에 설치된 소정의 형상패턴을 갖는 도전층(12b)으로 이루어진다. 가장 바깥쪽의 2개의 제 2 전극(15b')은, 수지시트(11b)의 양면이 아니라, 한쪽면에 도전층(12b)과 제 2 전극합제층(14b)이 설치되어 있는 것 이외에, 내부의 제 2 전극과 같은 구조를 갖는다.
제 2 집전체 시트의 끝단부(11y, 11y' 및 11y")를 제외한 전면에는 도전층(12b)이 설치되어 있다. 도전층(12b)의 표면은 도전부가 되기 때문에, 그 위에 제 2 전극합제층(14b)이 설치되어 있다. 도전층(12b)을 갖지 않는 제 2 집전체 시트의 끝단부(11y, 11y' 및 11y")는 절연부가 된다. 끝단부(11y)의 반대측에 위치하는 끝단부(12y)에는, 집전을 위해서 이용하는 도전층(12b)의 노출부가 남아 있다.
도 20, 21에 있어서, 극판군(10)의 각 측면에서는, 각 집전체 시트의 끝단부와 세퍼레이터의 끝단부가, 교대로 배치되어 있다.
제 1 집전체 시트(13a)의 도전층(12a)의 노출부{끝단부(12x)}는, 극판군(10)의 제 1 측면(도 1 좌측)에 배치되어 있고, 그 반대측의 절연부{끝단부(11x)}는, 극판군(10)의 제 2 측면(도 1 우측)에 배치되어 있다. 한편, 제 2 집전체 시트(13b)의 도전층(12b)의 노출부{끝단부(12y)}는, 극판군(10)의 제 2 측면에 배치되어 있고, 그 반대측의 절연부{(끝단부(11y)}는, 극판군(10)의 제 1 측면에 배치되어 있다. 또한, 도 20에서는, 제 1 측면과 제 2 측면이 서로 극판군의 반대측에 위치하고 있지만, 이러한 배치는 특별히 한정되지 않는다.
상기와 같이, 제 1 전극과 제 2 전극이, 서로 반대방향에 배치되어 있기 때문에, 제 1 집전체 시트(13a)의 도전층(12a)의 노출부{끝단부(12x)}는, 세퍼레이터(16)의 끝단부를 통하여, 제 2 집전체 시트(13b)의 절연부{끝단부(11y)}와 인접한다. 제 2 집전체 시트(13b)의 도전층(12b)의 노출부{끝단부(12y)}는, 세퍼레이터(16)의 끝단부를 통하여, 제 1 집전체 시트(13a)의 절연부{끝단부(11x)}와 인접한다. 이러한 배치이면, 제 1 전극과 제 2 전극과의 단락을 방지하는 것이 용이하고, 복수의 제 1 집전체 시트 또는 제 2 집전체 시트의 도전층의 노출부를 병렬로 접속하여, 고용량의 극판군을 얻는 것도 용이하다. 단락을 확실히 방지하는 관점으로부터, 제 1 집전체 시트(13a)의 도전층(12a)의 노출부{끝단부(12x)}에 인접하는 제 2 집전체 시트(13b)의 절연부{끝단부(11y)} 및 제 2 집전체 시트(13b)의 도전층(12b)의 노출부{끝단부(12y)}에 인접하는 제 1 집전체 시트(13a)의 절연부{끝단부(11x)}는, 폭 0.001mm 이상, 바람직하게는 0.1mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
도 20과 같이 복수의 제 1 집전체 시트(13a) 또는 제 2 집전체 시트(13b)의 도전층(12a, 12b)의 노출부를 병렬로 접속하여 고용량의 극판군을 얻는 경우, 어떠한 방법으로 노출부끼리를 접속하더라도 좋지만, 예를 들면, 도전성 재료의 피막으로 제 1 측면과 제 2 측면을 피복하는 방법을 이용할 수 있다. 도전성재료의 피막의 두께는, 예를 들면 0.01∼1mm 정도로 충분하다. 이렇게 하여 얻어진 도전성 재료의 피막은, 각각 제 1 단자(17a) 및 제 2 단자(17b)로서 집전에 이용할 수 있다. 양호한 집전상태를 얻기 위해서는, 도전층(12a, 12b)의 노출부와 도전성재료의 피막과의 접촉면적이 클수록 바람직하고, 도전층(12a, 12b)의 노출부가 도전성재료의 피막{단자(17a, 17b)}의 내부에 0.001∼1mm의 깊이까지 매몰되어 있는 것이 바람직하다.
도 20, 21에서는, 제 1 전극합제층(14a) 및 제 2 전극합제층(14b)의 끝단부는, 제 3 측면 및 제 4 측면보다 움푹 패인 위치에 배치되어 있지만, 각 전극합제층의 끝단부가, 각 집전체 시트의 절연부 및 세퍼레이터의 끝단부와 면일(面一)하게 배치되어 있어도 좋다. 이러한 구조이더라도, 제 3 측면 및 제 4 측면을 절연성의 재료로 덮는 것에 의해, 충분히 단락을 방지하는 것이 가능하다.
극판군(10)에 있서는, 그 측면에서 세퍼레이터나 극판의 끝단부가 돌출되지 않기 때문에, 부피효율이 높고, 고용량을 얻는 것이 가능하다. 또한, 이러한 극판군은, 균형이 취해진 간략한 구조를 가지기 때문에, 신뢰성을 확보하기 쉽다. 게다가, 이러한 극판군은, 동시에 많이 제조할 수 있기 때문에, 제조비용을 삭감하는 것이 가능하다.
극판군(10)의 제 1 측면에는, 제 1 단자(17a)와 제 2 전극(15b, b')을 절연하기 위한 제 1 절연재료부(18a)를 설치할 수 있고, 제 2 측면에는, 제 2 단자(17b)와 제 1 전극(15a)을 절연하기 위한 제 2 절연재료부(18b)를 설치할 수 있다. 제 1 측면에는, 제 2 집전체 시트(13b)의 절연부{끝단부(11y)}가 배치되고, 제 2 측면에는, 제 1 집전체 시트(13a)의 절연부{끝단부(11x)}가 배치되어 있기 때문에, 절연재료부를 설치하지 않아도 단락을 방지하는 것은 가능하지만, 절연재료부(18a, b)를 더욱 설치함으로써, 단락의 가능성은 대폭으로 저감한다. 절연재료부(18a, b)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.001mn 이상, 나아가서는 0.01mm 이상인 것이 바람직하다.
절연재료부(18a, 18b)를 설치하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 미리 극판의 제조공정에 있어서, 스크린인쇄법에 의해, 페이스트형상 또는 액상의 절연재료를, 전극합제층(14a, 14b)의 주위의 집전체 시트(13a, 13b)상에 도포해 두는 방법을 채용할 수 있다. 필름형상 혹은 테이프형상의 절연재료를, 전극합제층(14a, 14b)의 주위의 집전체 시트(13a, 13b)상에 붙이는 것에 의해, 절연재료부를 설치할 수도 있다. 도 21에서는, 극판군(10)의 제 3 측면 및 제 4 측면에는 절연재료부가 설치되지 않지만, 이들 측면에도 절연재료부를 설치할 수 있다.
절연재료부(18a, b)에 이용하는 절연재료로서는, 수지, 유리조성물, 세라믹 등을 들 수 있다. 또한, 직포나 부직포에 수지를 함침시킨 복합물 등을 이용할 수도 있다. 수지에는, 열가소성수지를 이용해도 좋고, 열강화성수지를 이용해도 좋다. 열강화성 수지를 이용하는 경우에는, 수지의 도포막을 가열하여 경화시키는 공정을 필요로 한다.
절연재료부(18a, 18b)에 이용할 수 있는 수지로서는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐 등의 올레핀계 폴리머, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트, 폴리아릴레이트, 폴리카보네이트 등의 에스테르계 폴리머, 폴리에틸렌옥시드, 폴리프로필렌옥시드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌에테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드 등의 에테르계 폴리머, 폴리술폰, 폴리에테르술폰 등의 술폰계 폴리머, 폴리아크릴로니트릴, AS수지, ABS수지 등의 아크릴로니트릴계 폴리머, 폴리페닐렌설파이드 등의 티오에테르계 폴리머, 폴리스틸렌 등의 방향족 비닐계 폴리머, 폴리이미드, 아라미드수지 등의 질소함유 폴리머, 폴리4불화에틸렌, 폴리불화비닐리덴 등의 불소폴리머, 폴리메타크릴산메틸 등의 아크릴계 폴리머 등을 들 수 있다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합한 코폴리머, 폴리머얼로이, 폴리머브랜드 등을 이용해도 좋다. 또한, 가열이나 UV조사에 의해 중합 고체화하여 얻어지는 폴리머를 이용해도 좋다.
도 20에서는, 제 1 전극합제층(14a)에 비해, 제 2 전극합제층(14b) 쪽이 큰 면적을 가지고 있다. 이러한 구조는, 제 1 전극합제층(14a)을 양극으로 하고, 제 2 전극합제층(14b)을 음극으로 하는 리튬이온 2차전지의 극판군에 적합하다. 제 1 전극합제층(14a)을 음극으로 하고, 제 2 전극합제층(14b)을 양극으로 하는 경우에는, 제 2 전극합제층(14b)에 비해 제 1 전극합제층(14a)의 면적을 크게 한다.
전극합제층(14a, 14b)의 두께는, 예를 들면 1∼1000㎛이지만, 이러한 두께는 특별히 한정되지 않는다.
극판군은, 필요에 따라서 소정형상의 케이스에 소정의 전해액과 함께 수용된다. 케이스에는, 예를 들면, 스텐레스강판, 알루미늄판 등을 소정형상으로 가공한 것, 양면에 수지피막을 갖는 알루미늄박(알루미늄 라미네이트 시트), 수지케이스 등이 이용된다.
케이스내에 극판군과 함께 수용되는 전해액의 조성은, 전기화학 소자의 종류에 따라 다르다. 전기화학 소자가, 예를 들면 리튬이온 2차전지의 경우, 전해액에는, 비수용매에 리튬염을 용해시킨 것이 이용된다. 전해액에 있어서의 리튬염 농도는, 예를 들면 0.5∼1.5mol/L이다.
비수용매에는, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 등의 고리형상 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸이소프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트 등의 비고리형상 카보네이트, 포름산메틸, 초산메틸, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸 등의 지방족 카르본산에스테르, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤 등의 γ-락톤, 1, 2-디메톡시에탄, 1, 2-디에톡시에탄, 에톡시메톡시에탄 등의 비고리형상 에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸-테트라히드로푸란 등의 고리형상 에테르, 디메틸술폭시드, 1, 3-디옥소란, 인산트리메틸, 인산트리에틸, 인산트리옥틸 등의 알킬인산에스테르나 이것들의 불화물 등을 이용할 수 있다. 이것들은 복수종류를 조합하여 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 고리형상 카보네이트와 비고리형상 카보네이트를 포함한 혼합물, 고리형상 카보네이트와 비고리형상 카보네이트와 지방족 카르본산 에스테르를 포함한 혼합물 등이 바람직하다.
리튬염에는, LiPF6, LiBF4, LiCl04, LiAlCl4, LiSbF6, LiSCN, LiCl, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiN(CF3SO2)2, Li2B10Cl10, LiN(C2F5SO2)2, LiPF3(CF3)3, LiPF3(C2F5)3 등을 이용할 수 있다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합해서 이용해도 좋지만, 적어도 LiPF6을 이용하는 것이 바람직하다.
실시형태 8
본 실시형태에서는, 집전체 시트 A를 이용한 경우를 예로 들어, 복수의 적층형 극판군을 동시에 제조하는 방법의 일례에 대해서, 도 22∼23을 참조하면서 설명한다.
(1) 제 1 전극의 제작
원하는 수의 집전체 시트를 제공할 수 있는 크기의 수지시트(21a)를 준비한다. 이어서, 수지시트(21a)의 양면의 같은 위치에, 복수의 소정의 형상패턴의 도전층을 설치한다. 예를 들면 도 22에 나타내는 바와 같이, 소정형상의 도전층(26a)을, 복수행, 복수열로 수지시트(21a)상에 형성한다. 도전층(26a)은, 예를 들면, 수지시트(21a)에 매트릭스형상의 개구부를 갖는 마스크를 씌우고, 개구부로부터 노출하는 수지시트부분에 금속을 증착시키는 것에 의해 얻을 수 있다.
수지시트(21a)에는, 전극 2개의 크기의 도전층(26a)을 복수개 형성한다. 즉 2n개의 전극을 얻고자 할 때에는, 수지시트(21a)에 한쪽면당 n개의 도전층(26a)을 형성한다. 다음에, 도 23에 나타내는 바와 같이, 각 도전층(26a) 위에, 제 1 전극합제층(22a)을 2개씩 형성한다. 2개의 제 1 전극합제층(22a)의 사이에는, 제 1 전극합제를 갖지 않는 도전층(26a)의 노출부(23a)를 남겨 둔다. 도 23에는, 3행 3열의 전극합제층이 그려져 있지만, 통상은, 보다 큰 집전체 시트 위에, 보다 많은 도전층과 제 1 전극합제층이 형성된다.
제 1 전극합제층(22a)은, 제 1 전극합제로 이루어지는 페이스트를, 도전층(26a)의 중앙부를 제외한 전면에 도공하는 것에 의해 형성된다. 도공방법은, 특별히 한정되지 않지만, 스크린인쇄, 패턴도공 등을 채용할 수 있다. 페이스트가 도공되어 있지 않은 도전층의 노출부(23a)는, 극판군의 구성 후에는, 제 1 단자와의 접속부(24a)가 된다.
제 1 전극합제는, 제 1 전극의 활물질, 도전재, 결착제 등을, 분산매와 혼합하는 것에 의해 조제된다. 페이스트의 도막을 건조하고, 건조 후의 도막을 롤러로 압연하여, 합제 밀도를 높일 수 있다.
제 1 전극이 리튬이온 2차전지의 양극인 경우, 활물질로서는, 예를 들면, 리튬함유 천이금속산화물을 바람직하게 이용할 수 있다. 리튬함유 천이금속산화물로서는, 예를 들면, LixCoOz, LixNiOz, LixMnOz, LixCoyNi1-yOz, LixCofV1-fOz, LixN1-yMyOz (M = Ti, V, Mn, Fe), LixCoaNibMcOz (M = Ti, Mn, Al, Mg, Fe, Zr), LixMn2O4, LixMn2(1-y)M2yO4 (M = Na, Mg, Sc, Y, Fe, Co, Ni, Ti, Zr, Cu, Zn, Al, Pb, Sb) 등을 들 수 있다. 단, x치는 전지의 충방전에 의해, 0≤x≤1.2의 범위에서 변화한다. 또한, 0≤y≤1, 0.9≤f≤0.98, 1.9≤z≤2.3, a+b+c = 1, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c<1이다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합해서 이용해도 좋다.
제 1 전극이 리튬이온 2차전지의 음극인 경우, 활물질로서는, 예를 들면, 리튬, 리튬합금, 금속간 화합물, 탄소재료, 리튬이온을 흡장·방출 가능한 유기화합물이나 무기화합물, 금속착체, 유기고분자 화합물 등을 바람직하게 이용할 수 있다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합해서 이용해도 좋다. 탄소재료로서는, 코크스(Koks), 열분해탄소, 천연흑연, 인조흑연, 메소카본 마이크로비즈, 흑연화 메소페이즈 소구체, 기상(氣相) 성장(成長) 탄소, 유리형상 탄소, 탄소섬유(폴리아크릴로니트릴계, 피치계, 셀룰로오스계, 기상 성장계, 부정형 탄소, 유기화합물 소성체 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 특히, 천연흑연이나 인조흑연이 바람직하다.
도전재에는, 예를 들면, 아세틸렌블랙 등의 카본블랙, 흑연 등이 이용된다. 또, 결착재에는, 예를 들면, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소수지, 아크릴계 수지, 스틸렌부타디엔 고무, 에틸렌프로필렌 터폴리머(terpolymer) 등을 이용할 수 있다.
극판군에 있어서, 제 2 집전체 시트의 도전층의 노출부와 인접하게 되는 제 1 전극합제층(22a)의 둘레가장자리부, 즉 극판군의 제 2 측면에 배치되게 되는 제 1 전극합제층(22a)의 둘레가장자리부를 따라서 절연재료를 도공한다. 여기에서도 패턴도공을 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 절연재료의 도공은 반드시 필요하지 않고, 임의로 실시하면 좋지만, 절연재료를 도공하는 것이 단락의 가능성을 저감할 수 있다. 도공된 절연재료는, 극판군에 있어서, 제 1 절연재료부를 형성한다. 극판군의 제 3 측면 및 제4 측면에 배치되는 것이 되는 제 1 전극합제층(22a)의 둘레가장자리부에도, 절연재료를 피복하더라도 좋다.
(2) 제 2 전극의 제작
양면에 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극은, 제 1 전극과 같은 방법으로 제작할 수 있다. 즉, 원하는 수의 집전체 시트를 제공할 수 있는 크기의 수지시트(21b)의 양면의 같은 위치에, 복수의 소정의 형상패턴의 도전층을 설치하고, 각 도전층 위에, 제 2 전극합제층(22b)을 2개씩 형성한다. 2개의 제 2 전극합제층(22b)의 사이에는, 제 2 전극합제층을 갖지 않는 도전층의 노출부(23b)를 남겨둔다. 페이스트가 도공되어 있지 않은 도전층의 노출부(23b)는, 극판군에 있어서는, 제 2 단자와의 접속부(24b)가 된다. 한쪽면에만 제 2 전극합제층(22b)을 갖는 제 2 전극은, 다른 쪽의 면에 도전층, 제 2 전극합제층 및 절연재료를 설치하지 않는 것 이외, 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있다.
(3) 극판군의 제작
제작된 복수의 제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 복수의 제 2 전극으로 이루어지는 집합체를, 세퍼레이터를 개재하여 적층한다. 이 때 제 1 전극의 제 1 전극합제층(22a)과 제 2 전극의 제 2 전극합제층(22b)을 서로 대면시켜 이것들을 적층한다. 제 1 전극에 있어서의 도전층의 노출부(23a) 및 절연 재료는, 각각 제 2 전극에 있어서의 절연재료 및 도전층의 노출부(23b)와 대면시킨다. 양쪽 모두의 가장 바깥쪽에는, 한쪽면에만 제 2 전극합제층(22b)을 갖는 한 쌍의 제 2 전극을 배치하고, 이것들로 안쪽의 전극을 끼워 지지하여, 전체를 프레스한다. 이와 같이 하여 복수의 극판 스택(stack)으로 이루어지는 집합체를 얻을 수 있다.
세퍼레이터에는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머나 유리섬유 등으로 이루어지는 직포나 부직포를 이용할 수 있다. 고체전해질이나 겔전해질을 세퍼레이터로서 이용할 수도 있다. 고체전해질에는, 예를 들면, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드 등을 매트릭스 재료로서 이용할 수 있다. 겔전해질로서는, 예를 들면, 후술의 비수전해액을 폴리머 재료로 이루어지는 매트릭스에 유지시킨 것을 이용할 수 있다. 매트릭스를 형성하는 폴리머 재료에는, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리불화비닐리덴, 불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌과의 코폴리머 등을 이용할 수 있다. 이것들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합하여 이용해도 좋다. 이것들 중에서는, 특히, 불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌과의 코폴리머, 폴리불화비닐리덴과 폴리에틸렌옥사이드와의 혼합물을 이용하는 것이 바람직하다.
복수의 극판 스택으로 이루어지는 집합체는, 극판 스택마다 분할한다.
제 1 전극 및 제 2 전극은, 도 23에 나타내는 화살표방향을 따라서 절단된다. 도전층의 노출부(23a, 23b)는, 절단에 의해서 단자와의 접속부(24a, 24b)를 형성하고, 그 반대측의 수지시트의 노출부는, 절단에 의해서 절연부(25a, 25b)를 형성한다. 이렇게 하여 얻어진 극판 스택의 4개의 측면에 있어서는, 각 집전체 시트의 끝단부와 세퍼레이터의 끝단부가 거의 면일하게 배치되어 있지만, 다른 극성의 전극의 도전부끼리가, 각 측면에 있어서 서로 대면할 일은 없다.
종래부터 일반적으로 이용되고 있는 금속박을 집전체 시트로서 이용하고, 상기와 같은 방법으로 극판군을 제작하면, 절단시에 생기는 금속버가 문제가 된다. 금속버는, 세퍼레이터를 찢어, 내부단락을 일으키는 큰 원인이 된다. 따라서, 금속버의 발생을 막는 것이 중요해지지만, 금속버를 일으키는 일 없이 금속박을 절단하는 것은 현저하게 곤란하다. 한편, 수지시트로 이루어지는 집전체 시트를 이용하는 경우, 절단면의 대부분이 수지로 점유되어 있기 때문에, 금속버를 일으키는 일이 없다. 이 때문에, 전지의 신뢰성은 대폭으로 향상된다.
제 1 집전체 시트의 도전층의 노출부(23a)로 형성된 접속부(24a)와 제 2 집전체 시트의 절연부(25b)가 교대로 배열하는 제 1 측면을, 도전성 재료의 피막으로 피복하면, 제 1 단자를 얻을 수 있다. 예를 들면, 용해 또는 반용해 상태의 금속미립자를 제 1 측면에 내뿜는 것에 의해, 제 1 측면을 금속피막으로 피복할 수 있다. 이렇게 하여 형성된 금속피막은, 자동적으로 제 1 집전체 시트의 접속부(24a)와 전기적으로 접속된다. 제 1 측면에 배치된 제 2 전극합제층(22b)의 단면에는, 절연재료가 도공되어 있기 때문에, 금속피막과 제 2 전극과의 단락은 일어나지 않는다. 제 2 집전체 시트의 도전층의 노출부(23b)로부터 형성된 접속부(24b)와 제 1 집전체 시트의 절연부(25a)가 교대로 배열하는 제 2 측면이나, 상기와 같이 금속피막으로 피복하는 것에 의해, 제 2 단자를 얻을 수 있다.
제 1 단자 또는 제 2 단자가 양극단자가 되는 경우에는, 금속피막을 알루미늄을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 단자 또는 제 2 단자가 음극단자가 되는 경우에는, 금속피막을 구리를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 제조법에 의하면, 예를 들면, 세로 1∼300mm, 폭 1∼300mm, 두께 0.01∼20mm의 범위이면, 임의의 크기의 극판군을 효율적으로 제조할 수 있다.
실시형태 9
본 실시형태에서는, 집전체 시트 A를 이용한 경우를 예로 들어, 복수의 적층형 극판군을 동시에 제조하는 다른 방법에 대해 설명한다.
도 24에 나타나는 바와 같은 복수의 제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 복수의 제 2 전극으로 이루어지는 집합체를 이용하여, 극판군의 집합체를 얻을 수도 있다. 이러한 제 1 전극으로 이루어지는 집합체를 얻는 경우, 원하는 수의 집전체 시트를 제공할 수 있는 크기의 수지시트(31a)의 양면의 같은 위치에, 복수열의 띠형상의 도전층을 형성한다. 이러한 도전층은, 수지시트(31a)에 띠형상의 개구부를 갖는 마스크를 씌우고, 개구부로부터 노출하는 수지시트 부분에 금속을 증착시키는 것에 의해 얻을 수 있다. 여기에서도 집전체 시트(31a)에는, 전극합제층 2열분의 크기의 도전층을 복수열 형성한다. 즉, 2n열의 전극합제층을 얻고자 할 때에는, 수지시트(31a)에 한쪽면당 n열의 도전층을 형성한다.
각 띠형상 도전층 위에는, 띠형상의 제 1 전극합제층(32a)을 2열씩 형성한다. 2열의 띠형상의 제 1 전극합제층(32a)의 사이에는, 제 1 전극합제를 갖지 않는 도전층의 노출부(33a)를 남겨둔다. 띠형상의 제 1 전극합제층(32a)은, 상기와 같은 제 1 전극합제로 이루어지는 페이스트를, 도전층의 중앙부를 제외한 전면에 도공하는 것에 의해 형성된다. 도공방법은 적층형 극판군의 경우와 같다. 페이스트가 도공되어 있지 않은 도전층의 노출부(33a)는 제 1 단자와의 접속부(34a)가 된다.
제 2 전극으로 이루어지는 집합체를 얻는 경우에도, 원하는 수의 집전체 시트를 제공할 수 있는 크기의 수지시트(31b)의 양면의 같은 위치에, 복수열의 띠형상의 도전층을 설치하고, 각 도전층 위에, 띠형상의 제 2 전극합제층(32b)을 2열씩 형성한다. 2열의 띠형상의 제 2 전극합제층(32b)의 사이에는, 제 2 전극합제를 갖지 않는 도전층의 노출부(33b)를 남겨둔다. 도전층의 노출부(33b)는 제 2 단자와의 접속부(34b)가 된다.
이러한 극판군의 집합체를, 도 24에 나타내는 화살표방향을 따라서 극판 스택마다 분할하면, 도전층의 노출부(33a, 33b)는, 절단에 의해서 단자와의 접속부(34a, 34b)를 형성하고, 그 반대측의 수지시트의 노출부는, 절단에 의해서 절연부(35a, 35b)를 형성한다. 이렇게 하여 얻어진 극판 스택의 4개의 측면에 있어서는, 각 집전체 시트의 끝단부와 세퍼레이터의 끝단부가 면일하게 배치되어 있지만, 제 1 측면과 제 2 측면에 있어서는, 다른 극성의 전극의 도전부끼리가 각 측면에서 대면하는 일은 없다. 한편, 제 3 측면 및 제 4 측면에는, 전극합제층의 단면이 노출하게 되지만, 이러한 측면을 절연성의 재료로 피복하는 것에 의해, 단락의 가능성을 크게 저감할 수 있다.
상기와 같은 제조법에 의하면, 예를 들면, 세로 1∼300mm, 폭 1∼300nm, 두께 0.01∼20mm의 범위이면, 임의의 크기의 극판군을 효율적으로 제조할 수 있다.
실시형태 10
본 실시형태에서는, 집전체 시트 A를 이용한 경우를 예로 들어, 복수의 권회형 극판군을 동시에 제조하는 방법의 일례에 대해서, 도 25를 참조하면서 설명한다. 또한, 도 25는, 제 1 전극을 중심으로 그려진 권회형 극판군의 부분적인 개념도로서, 더욱 바깥둘레측의 합제층이나 극판 등은 생략되어 있다.
(1) 제 1 전극의 제작
권회형 극판군에 이용하는 제 1 전극은, 띠형상의 형상을 갖는 것 이외, 적층형 극판군에게 이용하는 제 1 전극과 같은 구조를 갖는다. 따라서, 제 1 전극의 제조법은 적층형의 경우와 거의 같다.
예를 들면, 도 24에 나타낸 것과 같은 제 1 전극으로 이루어지는 집합체를 제작한다. 다음에, 상기와 같이, 제 1 전극합제층의 둘레가장자리부 중, 적어도 도전층의 노출부측의 반대측에, 절연재료를 도공한다. 이 부분은, 극판군에 있어서, 제 2 집전체 시트의 도전층의 노출부와 인접하게 된다.
(2) 제 2 전극의 제작
여기에서도, 도 24에 나타낸 것과 같은 제 2 전극으로 이루어지는 집합체를 제작한다.
(3) 극판군의 제작
제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 제 2 전극으로 이루어지는 집합체를, 세퍼레이터(40)를 개재하여 감아 돌린다. 이 때, 띠형상의 제 1 전극합제층(32a)과 제 2 전극합제층(32b)이 서로 대면하도록 전극을 배치한다. 또한, 제 1 전극에 있어서의 도전층의 노출부 및 절연재료가, 각각 제 2 전극에 있어서의 절연재료 및 도전층의 노출부와 대면하도록 양극판을 배치한다. 그 결과, 교대로 반대방향으로 배열한 복수의 권회형 극판군으로 이루어지는 기다란 통형상의 집합체를 얻을 수 있다.
기다란 통형상의 집합체는, 극판군마다 분할한다. 이러한 극판군의 한쪽의 측면(바닥면)에는, 제 1 집전체 시트의 도전층의 노출부와 제 2 집전체 시트의 절연부가 교대로, 동심원 형상으로 배열하고 있고, 한쪽의 측면(바닥면)에는, 제 2 집전체 시트의 도전층의 노출부와 제 1 집전체 시트의 절연부가 교대로, 동심원형상으로 배열하고 있다.
제 1 집전체 시트의 도전층의 노출부가 배열하고 있는 바닥면 및 제 2 집전체 시트의 도전층의 노출부가 배열하고 있는 바닥면을, 상기와 같이, 각각 금속으로 피복하는 것에 의해, 제 1 단자(41) 및 제 2 단자(42)를 형성할 수 있다. 제 2 전극합제층(32b)의 단면에는 절연재료(36b)가 도공되어 있기 때문에, 제 1 단자(41)와 제 2 전극과의 단락은 일어나지 않고, 제 1 전극합제층(32a)의 단면에는 절연재료(36a)가 도공되어 있기 때문에, 제 2 단자(42)와 제 1 전극과의 단락은 일어나지 않는다.
실시형태 11
본 실시형태에서는, 미세폭부를 갖는 집전체 시트 A'를 이용한 경우를 예로 들어, 복수의 적층형 극판군을 동시에 제조하는 방법에 대해 설명한다.
(1) 제 1 전극의 제작
원하는 수의 집전체 시트를 줄 수 있는 크기의 수지시트(21a')를 준비한다. 이어서, 수지시트(21')의 양면의 같은 위치에, 복수의 소정의 형상패턴의 도전층을 설치한다. 예를 들면 도 26에 나타내는 바와 같이, 소정형상의 도전층(26a')을, 복수행, 복수열로 수지시트(21a')위에 형성한다.
2n개의 전극을 얻고자 할 때에는, 수지시트(21a')에 한쪽면당 n개의 도전층(26a')을 형성한다. 다음에, 도 27에 나타내는 바와 같이, 각 도전층(26a')의 위에, 제 1 전극합제층(22a')을 2개씩 형성한다. 2개의 제 1 전극합제층(22a')의 사이에는, 제 1 전극합제를 갖지 않는 도전층(26a')의 일부인 노출부(23a')를 남겨둔다.
제 1 전극합제층(22a')은, 제 1 전극합제로 이루어지는 페이스트를, 도전층(26a')의 중앙부를 제외하는 전면에 도공하는 것에 의해 형성된다. 페이스트가 도공되어 있지 않은 도전층의 노출부(23a')는, 극판군의 구성 후에는, 제 1 단자와의 접속부(24a')가 된다.
여기에서도, 극판군에 있어서, 제 2 집전체 시트의 도전층의 노출부와 인접하게 되는 제 1 전극합제층(22a')의 둘레가장자리부, 즉 극판군의 제 2 측면에 배치되게 되는 제 1 전극합제층(22a')의 둘레가장자리부를 따라서 절연 재료를 도공하는 것이 바람직하다.
(2) 제 2 전극의 제작
원하는 수의 집전체 시트를 제공할 수 있는 크기의 수지시트(21b')의 양면의 같은 위치에, 복수의 소정의 형상패턴의 도전층을 설치하고, 각 도전층 위에, 제 2 전극합제층(22b')을 2개씩 형성한다. 2개의 제 2 전극합제층(22b')의 사이에는, 제 2 전극합제층을 갖지 않는 도전층의 노출부(23b')를 남겨둔다. 페이스트가 도공되어 있지 않은 도전층의 노출부(23b')는, 극판군에 있어서는, 제 2 단자와의 접속부(24b')가 된다. 한쪽면에만 제 2 전극합제층(22b')을 갖는 제 2 전극은, 다른 쪽의 면에 도전층, 제 2 전극합제층 및 절연재료를 설치하지 않는 것 이외에, 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있다.
(3) 극판군의 제작
이어서, 제작된 복수의 제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 복수의 제 2 전극으로 이루어지는 집합체를, 세퍼레이터를 개재하여 적층한다. 그리고, 양쪽 모두의 가장 바깥쪽에는, 한쪽면에만 제 2 전극합제층(22b')을 갖는 한 쌍의 제 2 전극을 배치하고, 이것들로 안쪽의 전극을 끼워 지지하여, 전체를 프레스한다. 이렇게 하여 얻어진 복수의 극판 스택으로 이루어지는 집합체는, 극판 스택마다 분할한다. 제 1 전극 및 제 2 전극은, 도 27에 나타내는 화살표 방향을 따라서 절단된다. 도전층의 노출부(23a', 23b')는, 절단에 의해서 집전단자와의 접속부(24a', 24b')를 형성하고, 그 반대측의 수지시트의 노출부는, 절단에 의해서 절연부(25a', 25b')를 형성한다. 또한, 접속부(24a', 24b')와 전극합제층을 담지하는 주요부와의 사이의 도전층은, 미세폭으로 형성되어 있어 이 미세폭부(27a', 27b')가 과전류 차단부로서 기능한다. 따라서, 만일, 단락이 일어나, 통상보다 큰 전류가 흘렀다고 해도, 도전층의 미세폭부가 용해하고, 과전류가 차단부가 된다.
제 1 집전체 시트의 도전층의 노출부(23a')로부터 형성된 접속부(24a')와 제 2 집전체 시트의 절연부(25b')가 교대로 배열하는 제 1 측면을, 도전성재료의 피막으로 피복하면, 제 1 단자를 얻을 수 있다.
실시형태 12
본 실시형태에서는, 미세폭부를 갖는 집전체 시트 A'를 이용한 경우를 예로 들어, 복수의 적층형 극판군을 동시에 제조하는 다른 방법에 대해 설명한다.
도 28에 나타내는 복수의 제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 복수의 제 2 전극으로 이루어지는 집합체를 이용하여, 극판군의 집합체를 얻을 수도 있다. 이러한 제 1 전극으로 이루어지는 집합체를 얻는 경우, 원하는 수의 집전체 시트를 제공할 수 있는 크기의 수지시트(31a')의 양면의 같은 위치에, 도 29에 나타내는 도전층(36a')을 형성한다. 이러한 도전층은, 수지시트(31a')에 소정형상의 개구부를 갖는 마스크를 씌우고 개구부로부터 노출하는 수지시트 부분에 금속을 증착시키는 것에 의해 얻을 수 있다. 여기에서도 2n열의 전극합제층을 얻고자 할 때에는, 수지시트(31a')에 한쪽면당 n열의 도전층(36a')을 형성한다.
각 도전층 위에는, 띠형상의 제 1 전극합제층(32a')을 2열씩 형성한다. 2열의 띠형상의 제 1 전극합제층(32a')의 사이에는, 제 1 전극합제를 갖지 않는 도전층의 노출부(33a')를 남겨둔다. 페이스트가 도공되어 있지 않은 도전층의 노출부(33a')는 제 1 단자와의 접속부(34a)가 된다.
제 2 전극으로 이루어지는 집합체를 얻는 경우에도, 원하는 수의 집전체 시트를 제공할 수 있는 크기의 수지시트(31b')의 양면의 같은 위치에, 도 29에 나타내는 도전층을 형성하고, 각 도전층 위에, 띠형상의 제 2 전극합제(32b')를 2열씩 형성한다. 2열의 띠형상의 제 2 전극합제층(32b')의 사이에는, 제 2 전극합제를 갖지 않는 도전층의 노출부(33b')를 남겨둔다. 도전층의 노출부(33b')는 제 2 단자와의 접속부(34b')가 된다.
이러한 극판군의 집합체를, 도 28에 나타내는 화살표방향을 따라서 극판 스택마다 분할하면, 도전층의 노출부(33a', 33b')는, 절단에 의해서 단자와의 접속부(34a', 34b')를 형성하고, 그 반대측의 수지시트의 노출부는, 절단에 의해서 절연부(35a', 35b')를 형성한다. 또한, 접속부(34a', 34b')와 전극합제층을 담지하는 주요부와의 사이의 도전층은, 미세폭으로 형성되어 있고, 이 미세폭부(37a', 37b')가 과전류 차단부로서 기능한다.
실시형태 13
본 실시형태에서는, 미세폭부를 갖는 집전체 시트 A'를 이용한 경우를 예로 들어, 복수의 권회형 극판군을 동시에 제조하는 방법의 일례에 대해서, 도 30을 참조하면서 설명한다. 또한, 도 30은, 제 1 전극을 중심으로 그려진 권회형 극판군의 부분적인 개념도로서, 더욱 바깥둘레측의 합제층이나 극판 등은 생략되어 있다.
(1) 제 1 전극의 제작
예를 들면, 도 28에 나타낸 것과 같은 제 1 전극으로 이루어지는 집합체를 제작한다. 다음에, 상기와 같이, 제 1 전극합제층의 둘레가장자리부중, 적어도 도전층의 노출부측의 반대측에, 절연 재료를 도공한다.
(2) 제 2 전극의 제작
여기에서도, 도 28에 나타낸 것과 같은 제 2 전극으로 이루어지는 집합체를 제작한다.
(3) 극판군의 제작
제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 제 2 전극으로 이루어지는 집합체를, 세퍼레이터(40')를 개재하여 감아돌린다. 이 때, 띠형상의 제 1 전극합제층(32a')과 제 2 전극합제층(32b')이 서로 대면하도록 전극을 배치한다. 또한, 제 1 전극에 있어서의 도전층의 노출부 및 절연재료가, 각각 제 2 전극에 있어서의 절연재료 및 도전층의 노출부와 대면하도록 양극판을 배치한다. 그 결과, 교대로 반대방향으로 배열한 복수의 권회형 극판군으로 이루어지는 기다란 통형상의 집합체를 얻을 수 있다.
기다란 통형상의 집합체는, 극판군마다 분할한다. 도 30에서는 판별할 수 없지만, 각 도전층의 노출부와 전극합제층을 담지하는 부분과의 사이의 도전층에는, 복수의 미세폭부가 설치되어 있고, 이것들이 과전류 차단부로서 기능한다.
제 1 집전체 시트의 도전층의 노출부가 배열하고 있는 바닥면 및 제 2 집전체 시트의 도전층의 노출부가 배열하고 있는 바닥면을, 상기와 같이, 각각 금속으로 피복하는 것에 의해, 제 1 단자(41') 및 제 2 단자(42')를 형성할 수 있다. 제 2 전극합제층(32b')의 단면에는 절연재료(43b')가 도공되어 있기 때문에, 제 1 단자(41')와 제 2 전극과의 단락은 일어나지 않고, 제 1 전극합제층(32a')의 단면에는 절연재료(43a')가 도공되어 있기 때문에, 제 2 단자(42')와 제 1 전극과의 단락은 일어나지 않는다. 또한, 만일, 단락이 일어나, 통상보다 큰 전류가 흘렀다고 해도, 도전층의 복수의 미세폭부가 용해하여, 과전류 차단부가 된다.
실시형태 14
본 실시형태에서는, 바이폴라 전극의 바람직한 일례에 대해 설명한다.
도 31(a)에, 바이폴라 전극(100)의 상면도, 도 31(b)에 배면도, 도 31(c)에 바이폴라 전극의 c-c선 단면도를 나타낸다.
바이폴라 전극(100)은, 한쪽의 면에 제 1 도전부와 제 1 절연부를 갖고, 다른 쪽의 면에 제 2 도전부와 제 2 절연부를 갖는 집전체 시트(101), 제 1 도전부에 담지된 제 1 전극합제층 (102), 및 제 2 도전부에 담지된 제 2 전극합제층(103)으로 이루어진다.
집전체 시트(101)는, 절연시트(104)를 포함하고 있고, 제 1 도전부는, 절연시트(104)의 한쪽의 면에 형성된 제 1 도전층(105)으로 이루어지고, 제 2 도전부는, 절연시트(104)의 다른 쪽의 면에 형성된 제 2 도전층(106)으로 이루어진다. 제 1 절연부(107)는, 절연시트(104)의 한쪽의 면에 남겨진 그 노출부로 이루어지고, 제 2 절연부(108)는, 절연시트(104)의 다른 쪽의 면에 남겨진 그 노출부로 이루어진다.
제 1 도전층은, 제 1 전극합제층을 담지하지 않는 제 1 도전층 노출부(109)를 갖고, 제 2 도전층은, 제 2 전극합제층을 담지하지 않는 제 2 도전층 노출부(110)를 갖는다. 제 1 도전층 노출부(109)와 제 2 도전층 노출부(110)는, 절연시트(104)의 서로 대향하는 끝단부에 각각 위치하고 있고, 각각 외부에 전기를 내기 위한 제 1 단자 및 제 2 단자와의 접속부로서 이용된다.
또한, 제 1 절연부(107)는, 절연시트(104)의 제 1 도전층 노출부 (109)와는 반대측의 끝단부에 위치하고, 제 2 절연부(108)는, 절연시트의 제 2 도전층 노출부(110)와는 반대측의 끝단부에 위치하고 있다. 따라서, 제 1 도전층 노출부(109)의 뒤쪽에는 제 2 절연부(108)가 위치하기 때문에, 제 1 도전층 노출부(109)와 제 1 단자를 접속할 때에, 제 1 단자와 제 2 도전부와의 단락을 막을 수 있다. 마찬가지로, 제 2 도전층 노출부(110)와 제 2 단자를 접속할 때, 제 2 단자와 제 1 도전부와의 단락을 막을 수 있다.
도 31에 나타내는 전극에 있어서는, 제 1 절연부(107)에 인접하는 제 1 전극합제층과 제 1 도전부의 끝단부, 및 제 2 절연부(108)에 인접하는 제 2 전극합제층과 제 2 도전부의 끝단부가, 각각 절연재료(111)로 피복되어 있다. 이러한 절연재료에 의해, 각 단자를 제 1 또는 제 2 도전층 노출부와 접속할 때에, 단락을 보다 확실히 방지할 수 있다.
도 31에 나타내는 전극에 있어서는, 통상의 바이폴라 전극과 달리, 제 1 전극합제층(102)과 제 2 전극합제층(103)이 절연시트(104)에 의해서 절연되어 있다. 따라서, 세퍼레이터를 개재하여 전극을 적층하면, 병렬접속에 의한 고용량 전지를 얻을 수 있다. 또한, 절연시트는, 종래의 집전체 시트에 이용되고 있는 금속시트와 달리 경량이기 때문에, 경량인 전지를 얻는 것이 가능해진다.
실시형태 15
본 실시형태에서는, 바이폴라 전극을 구비하는 권회형 극판군의 제조법의 일례에 대해 설명한다.
권회형 극판군은, 도 32에 나타내는 바와 같이, 상기와 같은 바이폴라 전극(205)의 후프(201)와 세퍼레이터(206)의 후프(202)를 이용하여 제작할 수 있다. 각 후프로부터 감겨진 바이폴라 전극(205)과 세퍼레이터(206)는, 롤러(203a 및 203b)를 통과할 때에 서로 겹치고, 이 상태인 채로 롤러 (203c∼203e)를 통과하여, 권심(207)에 의해서 감긴다. 이렇게 하여 권회형의 극판군(208)이 얻어진다. 즉, 바이폴라 전극을 이용하는 것으로, 2개의 후프로부터 권회형의 극판군을 얻는 것이 가능해진다.
얻어진 극판군의 단면구조를 개념적으로 도 33에 나타낸다.
극판군(300)의 단면에 있어서는, 바이폴라 전극과 세퍼레이터(301)가 교대로 배열하고 있다. 세퍼레이터(301)를 통하여, 인접하는 제 1 전극합제층(102)과 제 2 전극합제층(103)이 대면하고 있다.
절연시트(104)의 한쪽의 면에 형성된 제 1 도전층(105)중, 제 1 전극합제층(102)를 담지하지 않는 제 1 도전층 노출부(109)는, 극판군의 한쪽의 단면(도 33 하부)에 위치하고 있다. 이 단면에 있어서, 제 1 도전층 노출부(109)는, 제 1 단자(302)와 접속된다. 마찬가지로, 제 2 도전층(106) 중, 제 2 전극합제층(103)을 담지하지 않는 제 2 도전층 노출부(110)는, 극판군의 다른 쪽의 단면(도 33 상부)에 위치하고 있다. 이 단면에 있어서, 제 2 도전층 노출부(110)는, 제 2 단자(303)와 접속된다.
제 1 도전층 노출부(109)의 뒤쪽에는, 절연시트(104)의 노출부로 이루어지는 제 2 절연부(108)가 위치하고 있다. 또, 제 2 절연부(108)에 인접하는 제 2 전극합제층(103) 및 제 2 도전층(106)의 끝단부는, 절연재료(111)에 의해 피복되어 있다. 따라서, 제 1 단자(302)와 제 1 도전층 노출부(109)를 접속할 때에, 제 1 단자가 제 2 전극합제층(103)이나 제 2 도전층(106)과 단락하는 일은 없다.
또한, 제 2 도전층 노출부(110)의 뒤쪽에는, 절연시트(104)의 노출부로 이루어지는 제 1 절연부(107)가 위치하고 있다. 또한, 제 1 절연부(107)에 인접하는 제 1 전극합제층(102) 및 제 1 도전층(105)의 끝단부는, 절연재료(111)에 의해 피복되어 있다. 따라서, 제 2 단자(303)와 제 2 도전층 노출부(110)를 접속할 때에, 제 2 단자가 제 1 전극합제층(102)이나 제 1 도전층(105)과 단락하는 일은 없다.
또한, 단락을 확실히 방지하는 관점으로부터, 제 1 절연부(107) 및 제 2 절연부(108)의 폭(높이)은 0.001mm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.1mm 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
도 33에서는, 권회형 극판군에 대해 설명하였지만, 같은 방향으로 배치된 복수의 바이폴라 전극을 세퍼레이터를 개재하여 적층하여, 고용량인 적층형 극판군을 구성할 수도 있다. 이 경우, 제 1 도전층 노출부(109) 및 제 2 도전층 노출부(110)는, 적층형 극판군의 서로 반대측의 측면에 각각 배열한다. 따라서, 각 측면에 있어서 단락을 일으키지 않고 , 제 1 도전층 노출부(109)를 제 1 단자와 접속하고, 제 2 도전층 노출부(110)를 제 2 단자와 접속하는 것이 가능하다.
상기와 같은 극판군은, 구조가 단순하기 때문에, 부피효율이 높고, 고용량으로, 콤팩트한 전지를 얻는 것이 가능하다. 또, 단락의 가능성도 대폭으로 저감한다. 또한, 권회형 전지는, 2개의 후프를 이용해 제조하는 것이 가능하고, 4개의 후프를 필요로 한 종래에 비해, 제조공정이 간략화되어 감기 어긋남의 가능성이 대폭으로 저감한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 집전체 시트 A의 상면도이다.
도 2는, 집전체 시트 A의 a-a선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 A의 a-a선 단면도(b)이다.
도 3은, 집전체 시트 A의 b-b선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 A의 b-b선 단면도(b)이다.
도 4는, 본 발명의 실시형태 2에 관한 집전체 시트 A'의 상면도이다.
도 5는, 집전체 시트 A'의 a-a선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 A'의 a-a선 단면도(b)이다.
도 6은, 집전체 시트 A'의 b-b선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 A'의 b-b선 단면도(b)이다.
도 7은, 본 발명의 실시형태 3에 관한 집전체 시트 B의 상면도이다.
도 8은, 집전체 시트 B의 a-a선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 B의 a-a선 단면도(b)이다.
도 9는, 집전체 시트 B의 b-b선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 B의 b-b선 단면도(b)이다.
도 10은, 본 발명의 실시형태 4에 관한 집전체 시트 B'의 상면도이다.
도 11은, 집전체 시트 B'의 a-a선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 B'의 a-a선 단면도(b)이다.
도 12는, 집전체 시트 B'의 b-b선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 B'의 b-b선 단면도(b)이다.
도 13은, 도 12(a)의 부분확대도이다.
도 14는, 본 발명의 실시형태 5에 관한 집전체 시트 C의 상면도이다.
도 15는, 집전체 시트 C의 a-a선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 C의 a-a선 단면도(b)이다.
도 16은, 집전체 시트 C의 b-b선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 C의 b-b선 단면도(b)이다.
도 17은, 본 발명의 실시형태 6에 관한 집전체 시트 C'의 상면도이다.
도 18은, 집전체 시트 C'의 a-a선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 C'의 a-a선 단면도(b)이다.
도 19는, 집전체 시트 C'의 b-b선 단면도(a) 및 도전부에 전극합제를 설치한 집전체 시트 C'의 b-b선 단면도(b)이다.
도 20은, 본 발명의 실시형태 7에 관한 적층형 극판군의 종단면도이다.
도 21은, 본 발명의 실시형태 7에 관한 도 20의 적층형 극판군의 a-a선 단면도이다.
도 22는, 본 발명의 실시형태 8에 관한 수지시트상에 도전층을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 23은, 본 발명의 실시형태 8에 관한 제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 제 2 전극으로 이루어지는 집합체의 사시도이다.
도 24는, 본 발명의 실시형태 9에 관한 제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 제 2 전극으로 이루어지는 집합체의 사시도이다.
도 25는, 본 발명의 실시형태 10에 관한 제 1 전극을 중심으로 그려진 권회형 극판군의 단면구조를 나타내는 부분개념도이다.
도 26은, 본 발명의 실시형태 11에 관한 수지시트상에 미세폭부를 갖는 도전층을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 27은, 본 발명의 실시형태 11에 관한 제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 제 2 전극으로 이루어지는 집합체의 사시도이다.
도 28은, 본 발명의 실시형태 12에 관한 제 1 전극으로 이루어지는 집합체와 제 2 전극으로 이루어지는 집합체의 사시도이다.
도 29는, 본 발명의 실시형태 12에 관한 수지시트상에 미세폭부를 갖는 도전층을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 30은, 본 발명의 실시형태 13에 관한 제 1 전극을 중심으로 그려진 권회형 극판군의 단면구조를 나타내는 부분개념도이다.
도 31은, 본 발명의 실시형태 14에 관한 바이폴라 전극의 상면도(a), 동일 바이폴라 전극의 배면도(b) 및 동일 바이폴라 전극의 c-c선 단면도(c)이다.
도 32는, 본 발명의 실시형태 15에 관한 권회형 극판군의 제조공정을 나타내는 도면이다.
도 33은, 본 발명의 실시형태 15에 관한 권회형 극판군의 단면구조를 나타내는 부분개념도이다.
도 34는, 본 발명의 실시예에 관한 미세폭부를 갖는 도전층의 상면도이다.
도 35는, 바이폴라 전극을 이용한 권회형 극판군의 제조공정도이다.
실시예 1
이하의 요령으로 적층형 극판군을 갖는 리튬이온 2차전지를 제작하였다.
(가) 제 1 전극의 제작
가로 198mm, 세로 282mm, 두께 7㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, PET라고 한다)의 시트를 준비하였다. 이어서, 매트릭스형상의 개구부를 갖는 마스크를 이용하여, PET시트의 양면의 같은 위치에, 3행 6열로 배열하는 복수의 직사각형 (65mm × 46mm)의 구리의 증착층을 형성하였다. 구리의 증착층의 두께는, 0.1㎛로 하였다. 구리의 증착은, 일렉트론빔법에 의해 행하였다.
다음에, 활물질의 구상흑연(흑연화 메소페이즈 소구체) 100중량부와, 결착제의 스틸렌부타디엔 고무 3중량부와 분산매인 적당량의 카르복시메틸셀룰로오스 수용액을 혼합하는 것에 의해, 제 1 전극합제로 이루어지는 페이스트를 조제하였다. 그리고, 페이스트를 각 증착층의 중앙부를 제외하는 전면에 도공하였다. 그 결과, 각 증착층 위에, 32mm × 46mm의 제 1 전극합제층이 2개씩 형성되었다. 2개의 제 1 전극합제층의 사이에는, 폭 1mm의 홈형상으로, 합제를 갖지 않는 구리의 증착층의 노출부를 남겼다. 그 후, 페이스트의 도포막을 건조하고, 건조 후의 도포막을 두께 70㎛가 될 때까지 롤러로 압연하였다.
제 1 전극합제층의 둘레가장자리부중, 구리의 증착층의 노출부에 인접하는 부분의 반대측의 부분에, 절연재료로서 폭 0.3mm의 폴리불화비닐리덴을 도공하였다. 이렇게 하여, 양면에 6행 6열의 제 1 전극합제층을 갖는 제 1 전극의 집합체를 얻었다.
(나) 제 2 전극의 제작
우선, 양면에 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극을 제작하였다.
가로 198mm, 세로 282mm, 두께 7㎛의 PET시트를 준비하였다. 이어서, 매트릭스형상의 개구부를 갖는 마스크를 이용하여, PET시트의 양면의 같은 위치에, 3행 6열로 배열하는 복수의 직사각형(64mm × 45mm)의 알루미늄의 증착층을 형성하였다. Al의 증착층의 두께는, 0.1㎛로 하였다. Al의 증착은, 저항가열법에 의해 행 하였다.
다음에, 활물질인 코발트산리튬(LiCoO2) 100중량부와, 도전재인 아세틸렌블랙 3중량부와, 결착제인 폴리불화비닐리덴 7중량부와, 분산매인 적당량의 카르복시메틸셀룰로오스 수용액을 혼합하는 것에 의해, 제 2 전극합제로 이루어지는 페이스트를 조제하였다. 그리고, 페이스트를 각 증착층의 중앙부를 제외하는 전면에 도공하였다. 그 결과, 각 증착층 위에, 31mm × 45mm의 제 2 전극합제층이 2개씩 형성되었다. 2개의 제 2 전극합제층의 사이에는, 폭 2mm의 홈형상으로, 합제를 갖지 않는 Al의 증착층의 노출부를 남겼다. 그 후, 페이스트의 도포막을 건조하고, 건조 후의 도막을 두께 70㎛가 될 때까지 롤러로 압연하였다.
다음에, 제 2 전극합제층의 둘레가장자리부중, 증착층의 노출부에 인접하는 부분의 반대측의 부분에, 절연재료로서 폭 0.3mm의 폴리불화비닐리덴을 도공하였다. 이렇게 하여, 양면에 6행 6열의 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극의 집합체를 얻었다.
한편, 한쪽면에만 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극에 대해서도, 다른 쪽의 면에 도전층, 제 2 전극합제층 및 절연재료를 설치하지 않는 것 이외에, 상기와 같은 방법으로 제작하였다.
(다) 극판군의 제작
양면에 제 1 전극합제층을 갖는 제 1 전극으로 이루어지는 집합체 2개로, 양면에 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극으로 이루어지는 집합체 1개를, 세퍼레이터 를 개재하여 끼워 지지하였다. 이 때, 제 1 전극합제층과 제 2 전극합제층을 서로 대면시켰다. 또, 제 1 전극에 있어서의 구리의 증착층의 노출부 및 폴리불화비닐리덴이, 각각 제 2 전극에 있어서의 폴리불화비닐리덴 및 Al의 증착막의 노출부와 대면하도록, 양극판을 배치하였다. 그리고, 양 최외면에, 한쪽면에만 제 2 전극합제층을 갖는 한 쌍의 제 2 전극을 배치하고, 이것들로 안쪽의 전극을 끼워 지지하여, 전체를 프레스하였다. 그 결과, 복수의 극판 스택으로 이루어지는 집합체를 얻을 수 있었다.
다음에, 절단위치를, 제 1 전극에 있어서의 구리의 증착층의 노출부의 중심, 제 2 전극에 있어서의 Al의 증착층의 노출부의 중심에 대응시켜서, 복수의 극판 스택으로 이루어지는 집합체를 극판 스택마다 분할하였다. 그 결과, 일련의 도공·적층공정에 의해, 한번에 36개의 극판 스택을 얻을 수 있었다.
제 1 집전체 시트의 구리의 증착막의 노출부와 제 2 집전체 시트의 PET수지부가 교대로 배열하는 측면에, 반용해 상태의 구리미립자를 내뿜었다. 그 결과, 상기 측면에, 두께 0.5mm의 구리막이 형성되었다. 이 때, 구리의 증착층의 노출부가, 구리막의 내부에 깊이 0.2mm까지 파고 들어가 있었다. 이 구리막은, 그대로 음극단자로서 이용하였다.
다음에, 제 2 집전체 시트의 Al의 증착층의 노출부와 제 1 집전체 시트의 PET수지부가 교대로 배열하는 측면에, 반용해 상태의 알루미늄 미립자를 내뿜었다. 그 결과, 상기 측면에, 두께 0.5mm의 알루미늄막이 형성되었다. 이 때, Al의 증착층의 노출부가, 알루미늄막의 내부에 깊이 0.2mm까지 파고 들어가 있었다. 이 알 루미늄막은, 그대로 양극단자로서 이용하였다.
[평가]
얻어진 극판군의 구리막(음극단자)과 알루미늄막(양극단자)에, 각각 리드선을 접속하고, 극판군을 전해액에 침지하여, 외부의 충방전장치를 이용하여, 20℃ 분위기중에서, 충방전시험을 실시하였다. 여기에서는, 에틸렌카보네이트(EC)와 에틸메틸카보네이트(EMC)를 부피비 30:70으로 혼합한 혼합용매에, LiPF6를 1몰/L의 농도로 용해하여 전해액을 조제하였다.
충전 및 방전은, 각각 전극면적에 대해서 2.5mA/㎠의 전류모드로 행하였다. 충전 종지전압은 4.2V로 행하였다. 방전 종지전압은 3.0V로 하였다. 상기 조건에 의해서 얻어진 전기용량은 900mAh이었다. 또한, 실시예 1의 리튬이온 2차전지를 낙하시켜 기계적 충격을 주어도, 내부단락에 유래하는 전압강하 등의 이상은 인정받을 수 없었다.
실시예 2
이하의 요령으로 적층형 극판군을 갖는 리튬이온 2차전지를 제작하였다.
제 1 전극의 집전체 시트를 이하와 같이 제작하였다.
가로 198mm, 세로 282mm, 두께 7㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, PET라고 한다)의 시트를 준비하였다. 이어서, 매트릭스형상의 개구부를 갖는 마스크를 PET시트의 양면에 붙여, 개구부로부터 노출하는 PET시트부분에 구리를 도금하였다. 그 결과, PET시트의 양면의 같은 위치에, 3행 6열로 배열하는 복수의 직사각형 (65mm × 46mm)의 구리의 도금층이 형성되었다. 구리의 도금층의 두께는, 1㎛로 하였다. 구리의 도금은 전해법에 의해 행하였다.
다음에, 제 2 전극의 집전체 시트를 이하와 같이 제작하였다.
가로 198mm, 세로 282mm, 두께 7㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, PET라고 한다)의 시트를 준비하였다. 이어서, 매트릭스형상의 개구부를 갖는 마스크를 PET시트의 양면에 붙여 개구부로부터 노출하는 PET 시트부분에 Al를 증착하였다. 그 결과, PET시트의 양면의 같은 위치에, 3행 6열로 배열하는 복수의 직사각형(65mm × 46mm)의 Al의 증착층이 형성되었다. Al증착층의 두께는, 0.1㎛로 하였다. Al의 증착은, rf가열법에 의해 행하였다.
상술의 집전체 시트를 각각 이용한 것 이외에, 실시예 1과 같게 하여, 리튬이온 2차전지를 제작하였다.
[평가]
얻어진 전지를 이용하여, 실시예 1과 같은 충방전 시험을 실시한 바, 실시예 2의 리튬이온 2차전지의 전기용량은 900mAh이었다. 실시예 2의 리튬이온 2차전지를 낙하시켜 기계적 충격을 주어도, 내부단락에 유래하는 전압강하 등의 이상은 인정받을 수 없었다.
또한, 비교로서 종래부터 이용되고 있는 구리박으로 이루어지는 코어재를 이용하여 음극을 제작하고, 알루미늄박으로 이루어지는 코어재를 이용해 양극을 제작한 바, 같은 용량의 전지를 얻기 위해서는, 전지의 용적이 실시예 1, 2의 리튬이온 2차전지의 1.2배가 되었다. 또한, 이 리튬이온 2차전지를 낙하시켜 기계적 충격을 주었는데, 내부단락에 유래하는 약간의 전압강하가 인정되었다.
실시예 3
이하의 요령으로 적층형 극판군을 갖는 리튬이온 2차전지를 제작하였다.
제 1 전극의 집전체 시트를 이하와 같이 제작하였다. 3행 6열로 배열하는 복수의 직사각형(65mm × 46mm)의 매트릭스형상의 개구부를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어지는 틀체를 준비하였다. 틀체의 바깥치수는 가로 198mm, 세로 282mm, 두께 7㎛로 하였다.
이 틀체의 개구부에, 복수의 직사각형(65mm × 46mm)의 구리로 이루어지는 도전시트(두께 7㎛)를 끼워 넣고, 틀체와 도전시트를 접착제로 고정하였다. 이렇게 하여, 도전부와 절연부를 갖는 제 1 전극의 집전체 시트를 얻었다.
다음에, 제 2 전극의 집전체 시트를 이하와 같이 제작하였다.
3행 6열로 배열하는 복수의 직사각형(64mm × 45mm)의 매트릭스형상의 개구부를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어지는 틀체를 준비하였다. 틀체의 바깥치수는 가로 198mm, 세로 282mm, 두께 7㎛로 하였다.
이 틀체의 개구부에, 복수의 직사각형(64mm × 45mm)의 알루미늄으로 이루어지는 도전시트(두께 7㎛)를 끼워 넣고, 틀체와 도전시트를 접착제로 고정하였다. 이렇게 하여, 도전부와 절연부를 갖는 제 2 전극의 집전체 시트를 얻었다.
상술의 집전체 시트를 각각 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 같게 하여, 리튬이온 2차전지를 제작하였다.
[평가]
얻어진 전지를 이용하여, 실시예 1과 같은 충방전 시험을 실시한 바, 실시예 3의 리튬이온 2차전지의 전기용량은 900mAh이었다. 실시예 3의 리튬이온 2차전지를 낙하시켜 기계적 충격을 주어도, 내부단락에 유래하는 전압강하 등의 이상은 인정받을 수 없었다.
실시예 4
이하의 요령으로 적층형 극판군을 갖는 리튬이온 2차전지를 제작하였다.
(가) 제 1 전극의 제작
가로 198mm, 세로 282mm, 두께 7㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, PET라고 한다)의 시트를 준비하였다. 이어서, 소정형상의 개구부를 갖는 마스크를 이용하여, PET시트의 양면의 같은 위치에, 3행 6열로 배열하는 복수의 도 34에 나타내는 바와 같은 형상의 구리의 증착층을 형성하였다. 여기서, 치수 L1∼L5는, 각각 65mm, 46mm, 0.8mm. 0.1mm, 2mm로 하였다. 구리의 증착층의 두께는, 0.1㎛로 하였다. 구리의 증착은, 일렉트론빔법에 의해 행하였다.
다음에, 실시예 1과 같이 조제한 제 1 전극합제로 이루어지는 페이스트를 각 증착층의 중앙부(181) 및 미세폭부(182)를 제외하는 전면에 도공하였다. 그 결과, 각 증착층의 주요부(183)에, 32mm × 46mm의 제 1 전극합제층이 2개씩 형성되었다. 그 후, 페이스트의 도막을 건조하고, 건조 후의 도막을 두께 7 0㎛가 될 때까지 롤러로 압연하였다.
제 1 전극합제층의 둘레가장자리부중, 집전단자와의 접속부와는 반대측의 부분에, 절연재료로서 폭 0.3mm의 폴리불화비닐리덴을 도공하였다. 이렇게 하여, 양 면에 6행 6열의 제 1 전극합제층을 갖는 제 1 전극의 집합체를 얻었다.
(나) 제 2 전극의 제작
우선, 양면에 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극을 제작하였다.
가로 198mm, 세로 282mm, 두께 7㎛의 PET시트를 준비하였다. 이어서, 소정형상의 개구부를 갖는 마스크를 이용하여, PET시트의 양면의 같은 위치에, 3행 6열로 배열하는 복수의 도 34에 나타내는 형상의 알루미늄의 증착층을 형성하였다. 여기서, 치수 L1∼L5는, 각각 64mm, 45mm, 0.8mm, 0.6mm, 2mm로 하였다. Al의 증착층의 두께는, 0.1㎛로 하였다. Al의 증착은, 저항가열법에 의해 행하였다.
다음에, 실시예 1과 같이 조제한 제 2 전극합제로 이루어지는 페이스트를 각 증착층의 주요부(183)에 도공하였다. 그 결과, 각 증착층 위에, 31mm ×45mm의 제 2 전극합제층이 2개씩 형성되었다. 그 후, 페이스트의 도포막을 건조하고, 건조 후의 도포막을 두께 70㎛가 될 때까지 롤러로 압연하였다.
다음에, 제 2 전극합제층의 둘레가장자리부중, 집전단자와의 접속부와는 반대측의 부분에, 절연재료로서 폭 0.3mm의 폴리불화비닐리덴을 도공하였다. 이렇게 하여, 양면에 6행 6열의 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극의 집합체를 얻었다.
한편, 한쪽면에만 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극에 대해서도, 다른 쪽의 면에 도전층, 제 2 전극합제층 및 절연재료를 설치하지 않는 것 이외에는, 상기와 같은 방법으로 제작하였다.
(다) 극판군의 제작
실시예 1과 같이, 양면에 제 1 전극합제층을 갖는 제 1 전극으로 이루어지는 집합체 2개로, 양면에 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극으로 이루어지는 집합체 1개를, 세퍼레이터를 개재하여 끼워 지지하고, 양 최외면에, 한쪽면에만 제 2 전극합제층을 갖는 한 쌍의 제 2 전극을 배치하고, 이것들로 안쪽의 전극을 끼워 지지하여, 전체를 프레스하였다. 그 결과, 복수의 극판 스택으로 이루어지는 집합체를 얻을 수 있었다.
다음에, 실시예 1과 같이, 절단위치를, 제 1 전극에 있어서의 구리의 증착층의 노출부의 중심, 제 2 전극에 있어서의 Al의 증착층의 노출부의 중심에 대응시키고, 복수의 극판 스택으로 이루어지는 집합체를 극판 스택마다 분할하여, 36개의 극판 스택을 얻었다.
그리고, 실시예 1과 같이, 제 1 집전체 시트의 구리의 증착막의 노출부와 제 2 집전체 시트의 PET수지부가 교대로 배열하는 측면에, 반용해 상태의 구리 미립자를 내뿜어, 구리막으로 이루어지는 음극단자를 설치하였다. 또한, 제 2 집전체 시트의 Al의 증착층의 노출부와 제 1 집전체 시트의 PET수지부가 교대로 배열하는 측면에, 반용해 상태의 알루미늄 미립자를 내뿜어, 알루미늄막으로 이루어지는 양극단자를 설치하였다.
[평가]
얻어진 극판군을 이용하여, 실시예 1과 같은 충방전 시험을 실시한 바, 얻어진 전기용량은 900mAh이었다. 다음에, 같은 극판군을 100개 제작하여, 상기와 같은 전해액을 함침시킨 후, 양극단자 및 음극단자의 노출면 이외의 측면을 알루미늄 라미네이트시트로 피복하여, 리튬이온 2차전지를 완성시켰다. 이들 전지를 10mΩ 의 션트(shunt) 저항을 접속하여 외부단락시키고, 5분후 및 30분 후에, 전지의 표면온도를 측정하였다. 그 결과, 표면온도가 80℃ 이상으로 상승한 전지는 없었다. 그 후, 전지를 분해하여 내부를 관찰한 바, 집전체 시트에 설치된 증착층의 미세폭부의 대부분이 용해되어 절단되어 있었다.
실시예 5
이하의 요령으로 적층형 극판군을 갖는 리튬이온 2차전지를 제작하였다.
(가) 제 1 전극의 제작
가로 33mm, 세로 47mm, 두께 10㎛의 구리박을 준비하였다. 이어서, 구리박의 바깥둘레로부터 0.4mm 안쪽에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 4개의 폭 0.1mm, 두께 1㎛의 홈형상의 육박부를 에칭 가공에 의해 형성하였다.
이어서, 구리박의 3개의 변에 따르는 끝단부를, 도 11, 12에 나타내는 바와 같이, 마스킹 테이프로 피복하였다. 마스킹 테이프는, 두께 25㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트의 기재에 아크릴수지계 점착제를 담지시킨 것을 이용하였다.
얻어진 집전체 시트의 구리박의 노출부상에, 실시예 1과 같은 제 1 전극합제를 도포하여, 페이스트의 도포막을 건조하고, 건조 후의 도포막을 두께 70㎛가 될 때까지 롤러로 압연하였다. 단, 마스킹 테이프로 피복되어 있지 않은 구리박 끝단부의 홈 형상의 육박부{도 10의 육박부(86a')에 상당}보다도 바깥쪽만은, 집전단자와의 접속부로서 노출부인 채로 남았다. 제 1 전극합제층(32mm × 46mm)의 둘레가장자리부중, 집전단자와의 접속부와는 반대측의 부분에, 절연재료로서 폭 0.3 mm의 폴리불화비닐리덴을 도공하였다.
(가) 제 2 전극의 제작
가로 33mm, 세로 47mm, 두께 10㎛의 알루미늄박을 준비하였다. 이어서, 알루미늄박의 바깥둘레로부터 0.4mm 안쪽에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 4개의 폭 0.1mm, 두께 1㎛의 홈형상의 육박부을 에칭 가공에 의해 형성하였다. 이어서, 알루미늄박의 3개의 변에 따르는 끝단부를, 제 1 전극과 같은 마스킹 테이프로 피복하였다.
얻어진 집전체 시트의 알루미늄박의 노출부상에, 실시예 1과 같은 제 2 전극합제를 도포하여, 페이스트의 도포막을 건조하고, 건조 후의 도포막을 두께 70㎛가 될 때까지 롤러로 압연하였다. 단, 마스킹 테이프로 피복되어 있지 않은 알루미늄박 끝단부의 홈형상의 육박부{도 10의 육박부(86a')에 상당)보다도 바깥쪽만은, 집전단자와의 접속부로서 노출부인 채로 남았다. 제 2 전극합제층(31mm × 45mm)의 둘레가장자리부중, 집전단자와의 접속부와는 반대측의 부분에, 절연재료로서 폭 0.3mm의 폴리불화비닐리덴을 도공하였다.
한편, 한쪽면에만 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극에 대해서도, 다른 쪽의 면에 제 2 전극합제층 및 절연재료를 설치하지 않는 것 이외에, 상기와 같은 방법으로 제작하였다.
실시예 1과 같이, 양면에 제 1 전극합제층을 갖는 제 1 전극으로 이루어지는 집합체 2개로, 양면에 제 2 전극합제층을 갖는 제 2 전극으로 이루어지는 집합체 1개를, 세퍼레이터를 개재하여 끼워 지지하고, 양 최외면에, 한쪽면에만 제 2 전극합제층을 갖는 한 쌍의 제 2 전극을 배치하여, 이것들로 안쪽의 전극을 끼워 지지 하여, 전체를 프레스하였다. 그 결과, 복수의 극판 스택으로 이루어지는 집합체 얻을 수 있었다.
제 1 전극의 구리박의 노출부와 제 2 전극의 마스킹 테이프가 교대로 배열하는 측면에, 반용해 상태의 구리미립자를 내뿜었다. 그 결과, 상기 측면에, 두께 0.5mm의 구리막이 형성되었다. 이 때, 구리박의 노출부가, 구리막의 내부에 깊이 0.2mm까지 파고 들어가 있었다. 이 구리막은, 그대로 음극단자로서 이용하였다.
다음에, 제 2 전극의 Al박의 노출부와 제 1 전극의 마스킹 테이프가 교대로 배열하는 측면에, 반용해 상태의 알루미늄 미립자를 내뿜었다. 그 결과, 상기 측면에, 두께 0.5mm의 알루미늄막이 형성되었다. 이 때, Al박의 노출부가, 알루미늄막의 내부에 깊이 0.2mm까지 파고 들어가 있었다. 이 알루미늄막은, 그대로 양극단자로서 이용하였다.
[평가]
얻어진 극판군을 이용하여, 실시예 1과 같은 충방전 시험을 실시한 바, 얻어진 전기용량은 900mAh이었다. 다음에, 같은 극판군을 100개 제작하여, 상기와 같은 전해액을 함침시킨 후, 양극단자 및 음극단자의 노출면 이외의 측면을 알루미늄 라미네이트시트로 피복하여, 리튬이온 2차전지를 완성시켰다. 이들 전지를 10mΩ의 션트저항을 접속하여 외부단락시키고, 5분 후 및 30분 후에, 전지의 표면온도를 측정하였다. 그 결과, 표면온도가 80℃ 이상으로 상승한 전지는 없었다. 그 후, 전지를 분해하여 내부를 관찰한 바, 구리박 및 Al박에 설치한 홈형상의 육박부의 대부분이 용해되어 절단되어 있었다.
실시예 6
이하의 요령으로 권회형 극판군을 갖는 리튬이온 2차전지를 제작하였다. 제조공정에 대해서, 도 35를 참조하면서 설명한다.
(가) 집전체 시트의 제작
두께 7㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, PET라고 한다)의 시트(403)를 준비하였다. 그 다음에, 매트릭스형상의 개구부를 갖는 마스크를 이용하여, PET시트(403)의 한쪽의 면에, 도 35(a)에 나타내는 바와 같이 알루미늄의 증착막(401)을 형성하였다. Al증착막(401)의 두께는, 0.1㎛로 하였다.
마찬가지로, PET시트(403)의 한쪽의 면에, 파선으로 나타나는 패턴에 따라서, Al증착막(401)과는 반대의 배치를 갖는 구리의 증착막(402)을 형성하였다. Cu증착막(402)의 두께는, 0.1㎛로 하였다.
PET시트의 Al증착막(401) 및 Cu증착막(402)을 설치한 면에는, 각각 PET시트의 노출부로 이루어지는 스트라이프형상 절연부(404 및 405)를 남겼다. 이렇게 하여 집전체 시트(400)를 얻었다. 또한, 도 35에서는, 집전체 시트(400)는 개념적으로 짧게 그려져 있지만, 실제로는 기다란 형상의 PET시트로 이루어지는 후프를 이용하였다.
(나) 제 1 전극합제층
활물질인 코발트산리튬(LiCoO2) 100중량부와, 도전재인 아세틸렌블랙 3중량부와, 결착제인 폴리불화비닐리덴 7중량부와, 분산매인 적당량의 카르복시메틸셀룰 로오스 수용액을 혼합하는 것에 의해, 제 1 전극합제로 이루어지는 페이스트를 조제하였다. 이 페이스트를, 도 35(b)에 나타내는 바와 같이 Al증착막(401)상에 도공하여, 3열의 띠형상의 제 1 전극합제층(501)을 형성하였다. 그 후, 페이스트의 도포막을 건조하고, 건조 후의 도막을 두께 70㎛가 될 때까지 롤러로 압연하였다.
제 1 전극합제층의 둘레가장자리부중, 스트라이프형상 절연부(404)에 인접하는 부분에, 절연재료로서 폭 0.3mm, 건조 후의 두께 70㎛의 폴리불화비닐리덴(PVDF)의 도포막(도시하지 않음)을 형성하였다. 스트라이프형상 절연부(405)의 뒤쪽은, Al 증착막노출부(503)으로 하였다
(다) 제 2 전극합제층
활물질인 구상흑연(흑연화 메소페이즈 소구체) 100중량부와 결착제인 스틸렌부타디엔고무 3중량부와 분산매인 적당량의 카르복시메틸셀룰로오스 수용액을 혼합하는 것에 의해, 제 2 전극합제로 이루어지는 페이스트를 조제하였다. 이 페이스트를, 도 35(b)에 나타내는 바와 같이 Cu증착막(402)상에 도공하여, 3열의 띠형상의 제 2 전극합제층(502)을 형성하였다. 그 후, 페이스트의 도포막을 건조하고, 건조 후의 도포막을 두께 70㎛가 될 때까지 롤러로 압연하였다.
제 2 전극합제층의 둘레가장자리부중, 스트라이프형상 절연부(405)에 인접하는 부분에, 절연재료로서 폭 0.3mm, 건조 후의 두께 70㎛의 PVDF의 도포막(도시하지 않음)을 형성하였다. 스트라이프형상 절연부(404)의 뒤쪽은, Cu증착막 노출부(504)로 하였다.
(라) 극판군의 제작
완성한 바이폴라 전극(500)의 후프와 세퍼레이터(600)의 후프를 이용하여 권회(卷回)공정을 실시하였다. 권회공정에서는, 도 32에 나타내는 바와 같은 장치를 이용하여, 바이폴라 전극(500)과 세퍼레이터(600)를 겹쳐 합치는 것과 동시에 감아돌렸다. 그 결과, 도 35(c)에 나타내는, 복수의 권회형 극판군으로 이루어지는 기다란 통형상의 극판군집합체(700)를 얻었다.
집합체(700)는, 스트라이프형상 절연부(404){Cu 증착막 노출부(504)}의 중심선, 및 스트라이프형상 절연부(405){Al증착막 노출부(503)}의 중심선을 따라서, 화살표 Y의 위치에서 절단하여, 극판군마다 분할하였다. 그 결과, 일련의 도공·권회공정에 의해, 한 번에 3개의 극판군을 얻을 수 있었다.
제 1 전극합제층의 끝단부와 Al증착막 노출부(503)와 제 2 전극합제층의 끝단부를 덮는 PVDF의 도포막이 순차적으로 배열하는 단면(제 1 바닥면)에는, 주입구멍을 설치하기 위한 마스크를 씌운 후, 반용융 상태의 Al미립자를 내뿜었다. 그 결과, 제 1 바닥면에, 두께 0.5mm의 Al막이 형성되었다. 이 때, Al증착막 노출부(503)가, Al막의 내부에 깊이 0.2mm까지 매설되어 있었다. 제 1 바닥면에 배치되어 있는 제 2 전극합제층의 단면은, PVDF의 도포막으로 덮여 있기 때문에, 분사에 의해 형성된 Al막과 제 2 전극합제가 접촉하는 일은 없었다. 이 Al막을 양극단자로 하였다.
제 2 전극합제층의 끝단부와 Cu증착막 노출부(504)와 제 1 전극합제층의 끝단부를 덮는 PVDF의 도포막이 순차적으로 배열하는 단면(제 2 바닥면)에는, 주입구멍을 설치하기 위한 마스크를 씌운 후, 반용융 상태의 Cu미립자를 내뿜었다. 그 결과, 제 2 바닥면에, 두께 0.5mm의 Cu막이 형성되었다. 이 때, Cu증착막 노출부(504)가, Cu막의 내부에 깊이 0.2mm까지 매설되어 있었다. 제 2 바닥면에 배치되어 있는 제 1 전극합제층의 단면은, PVDF의 도포막으로 덮여 있기 때문에, 분사에 의해 형성된 Cu막과 제 1 전극합제가 접촉하는 일은 없었다. 이 Cu막을 음극단자로 하였다.
이렇게 하여 얻어진 극판군을 스테인레스 구리제의 원통형 전지케이스에 수용하여, 극판군 제 2 바닥면의 Cu막을 케이스 안쪽 바닥면에 접속하였다. 극판군 제 1 바닥면의 Al막은, 알루미늄 리드를 통하여, 주위에 절연 가스켓을 배치한 봉구판의 뒤쪽에 접속하였다. 이어서, 전해액을 케이스내에 쏟아, 주액구멍으로부터 전해액을 극판군의 내부에 함침시켰다. 그 후, 봉구판으로 케이스의 개구부를 봉구하여, 원통형 전지를 완성하였다.
여기서 이용한 전해액은, 에틸렌카보네이트(EC)와 에틸메틸카보네이트(EMC)를 부피비 30:70으로 혼합한 혼합용매에, LiPF6을 1몰/L의 농도로 용해하여 조제하였다.
비교예 1
종래와 같은 방법으로, 권회형 극판군을 갖는 리튬이온 2차전지를 제작하였다.
즉, 띠형상의 Al박 및 그 양면에 담지된 실시예 6과 같은 조성·두께의 제 1 전극합제층으로 이루어지는 제 1 전극을 제작하여, 띠형상의 Cu박 및 그 양면에 담 지된 실시예 6과 같은 조성·두께의 제 2 전극합제층으로 이루어지는 제 2 전극을 제작하였다. 각각의 극판에는, 집전탭을 접속하기 위한 전극합제층의 미도공부를 설치하여, 여기에 집전탭을 접속하였다. 그리고, 제 1 전극의 후프와 제 2 전극의 후프와 2개의 세퍼레이터의 후프를 이용하여, 극판군을 제작하였다.
이렇게 하여 얻어진 극판군을, 실시예 6에서 이용한 것보다 지름이 1.2배 큰 스테인레스 강철제의 원통형 전지케이스에 수용하여, 제 2 전극의 리드를 케이스 안쪽 바닥면에 용접하였다. 또한, 제 1 전극의 리드는, 주위에 절연가스켓을 배치한 봉구판의 뒤쪽에 접속하였다. 이어서, 전해액을 케이스내에 주입하여, 실시예 6과 같은 전해액을 극판군의 내부에 함침시켰다. 그 후, 봉구판으로 케이스의 개구부를 봉구하여, 원통형 전지를 완성하였다. 또한, 비교예 1과 실시예 6보다 큰 전지케이스를 필요로 한 것은, 집전탭이 극판군의 내부에 개재하고 있기 때문에 극판군의 지름이 증가했기 때문이다.
[평가]
얻어진 각 전지의 충방전시험을 20℃ 분위기중에서 실시하였다. 충전 및 방전은, 각각 전극면적에 대해서 2.5mA/㎠의 전류모드로 행하였다. 충전종지전압은 4.2V로 하였다. 방전종지전압은 3.0V로 하였다. 상기 조건에 의해서 얻어진 전기용량은 900mAh이었다. 따라서, 실시예 6의 전지는 비교예 1의 전지보다 부피 에너지밀도가 1.2배 컸다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 집전체 시트의 표면에 도전부와 절 연부가 공존하기 때문에, 집전체 시트의 도전부에 전극합제를 담지하는 한편으로, 절연부에는 전극합제를 담지하지 않는 것이 가능하다. 이러한 구조에 의하면, 전기화학 소자의 내부단락의 가능성은 크게 저감한다. 또한, 본 발명에 의하면, 양극단자나 음극단자의 구조가 간략하고, 집전탭이나 집전리드를 이용할 필요가 없기 때문에, 소형이라도 높은 전기용량을 갖고, 신뢰성이 높은 전기화학 소자를 제공할 수 있다. 그리고, 본 발명에 의하면, 동시에 복수의 전기화학 소자를 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 권회형 극판군의 제조공정을 간략화하여, 감기 어긋남의 가능성을 대폭으로 저감할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명은, 신뢰성이 높은 휴대전화, 휴대정보 단말기기, 캠코더, 퍼스널컴퓨터, PDA, 휴대음향기기, 전기자동차, 로드레벨링 등의 기기용 전원, 특히 리튬이온 2차전지 등의 비수전해질 2차전지에 적용하는 것이 바람직하다.

Claims (20)

  1. 전기화학 소자용 전극에 이용하는 전극합제를 담지하기 위한 집전체 시트로서, 표면에 도전부와 절연부를 갖는 것을 특징으로 하는 집전체 시트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 시트가 절연시트를 포함하고, 상기 도전부가 상기 절연시트의 표면에 형성된 도전층으로 이루어지고, 상기 절연부가 상기 절연시트의 노출부로 이루어지는 집전체 시트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 시트가 도전시트를 포함하고, 상기 절연부가 상기 도전시트의 표면에 형성된 절연층으로 이루어지고, 상기 도전부가 상기 도전시트의 노출부로 이루어지는 집전체 시트.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 시트가 동일면을 따라서 배치된 도전시트부 및 절연시트부로 이루어지고, 상기 도전부가 도전시트부의 표면으로 이루어지고, 상기 절연부가 상기 절연시트부의 표면으로 이루어지는 집전체 시트.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 도전층이, 금속증착층 및 금속도금층으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 집전체 시트.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 절연층이, 마스킹 테이프로 이루어지는 집전체 시트.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 금속증착층이, 저항가열법, rf가열법 및 일렉트론빔법으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 방법에 의해 형성되어 있는 집전체 시트.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 마스킹 테이프가, 기재 및 상기 기재에 담지된 점착제로 이루어지는 집전체 시트.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 도전층의 일부가 집전방향에 대해서 수직인 폭방향에서 미세폭으로 형성되어 있고, 상기 미세폭부가 과전류가 흐른 경우에 용단하는 집전체 시트.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 도전시트의 일부가 집전방향에 대해서 수직인 홈형상이 되도록 육박으로 형성되어 있고, 상기 육박부가 과전류가 흐른 경우에 용단하는 집전체 시트.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 도전시트부의 일부가 집전방향에 대해서 수직인 홈형상이 되도록 육박으로 형성되어 있고, 상기 육박부가 과전류가 흐른 경우에 용단하는 집전체 시트.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 미세폭부의 집전방향에 대해서 수직인 폭 a가, 상기 도전층의 주요부의 집전방향에 대해서 수직인 폭 A의 0%보다 크고 10% 이하인 집전체 시트.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 육박부의 두께 b가, 상기 도전시트의 주요부의 두께 B의 3%∼10%인 집전체 시트.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 육박부의 두께 c가, 상기 도전시트의 주요부의 두께 C의 3%∼10%인 집전체 시트.
  15. 제 2 항에 있어서, 상기 도전부가 제 1 도전층 및 제 2 도전층으로 이루어지고, 상기 제 1 도전층 및 제 2 도전층은 각각 상기 절연시트의 한쪽의 면 및 다른 쪽의 면에 형성되어 있고, 상기 절연부가 제 1 절연부 및 제 2 절연부로 이루어지고, 상기 제 1 절연부 및 제 2 절연부는 각각 상기 절연시트의 한쪽의 면 및 다른 쪽의 면에 위치하는 집전체 시트.
  16. (a) 제 15 항에 기재된 집전체 시트, (b) 제 1 도전층에 담지된 제 1 전극합제층 및 (c) 제 2 도전층에 담지된 제 2 전극합제층으로 이루어지고, 제 1 도전층이 제 1 전극합제층을 담지하지 않는 제 1 도전층 노출부를 갖고, 제 2 도전층이 제 2 전극합제층을 담지하지 않는 제 2 도전층 노출부를 갖고, 제 1 도전층 노출부와 제 2 도전층 노출부가, 상기 절연시트의 서로 대향하는 끝단부에 각각 위치하는 바이폴라 전극.
  17. 제 16 항에 있어서, 제 1 절연부가 상기 절연시트의 제 1 도전층 노출부와는 반대측의 끝단부에 위치하고, 제 2 절연부가 상기 절연시트의 제 2 도전층 노출부와는 반대측의 끝단부에 위치하는 바이폴라 전극.
  18. (a) 적어도 1개의 제 1 전극, (b) 적어도 1개의 제 2 전극, 및 (c) 제 1 전극과 제 2 전극과의 사이에 개재하는 세퍼레이터로 이루어지는 극판군을 갖는 전기화학 소자로서,
    상기 제 1 전극(a)은, 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고,
    상기 제 2 전극(b)은, 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고,
    상기 제 1 집전체 시트 및 제 2 집전체 시트의 적어도 한쪽이 절연시트를 포함하고, 또한 표면에 절연부와 상기 합제층을 담지하는 도전부를 갖고,
    상기 도전부가 상기 절연시트의 표면에 형성된 도전층으로 이루어지고, 상기 절연부가 상기 절연시트의 노출부로 이루어지는 전기화학 소자.
  19. (a) 적어도 1개의 제 1 전극, (b) 적어도 1개의 제 2 전극, 및 (c) 제 1 전극과 제 2 전극과의 사이에 개재하는 세퍼레이터로 이루어지는 극판군을 갖는 전기화학 소자로서,
    상기 제 1 전극(a)은, 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고,
    상기 제 2 전극(b)은, 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고,
    상기 제 1 집전체 시트 및 제 2 집전체 시트의 적어도 한쪽이 도전시트를 포함하고, 또한 표면에 절연부와 상기 합제층을 담지하는 도전부를 갖고,
    상기 절연부가 상기 도전시트의 표면에 형성된 절연층으로 이루어지고, 상기 도전부가 상기 도전시트의 노출부로 이루어지는 전기화학 소자.
  20. (a) 적어도 1개의 제 1 전극, (b) 적어도 1개의 제 2 전극, 및 (c) 제 1 전극과 제 2 전극과의 사이에 개재하는 세퍼레이터로 이루어지는 극판군을 갖는 전기화학 소자로서,
    상기 제 1 전극(a)은, 제 1 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 1 전극합제층으로 이루어지고,
    상기 제 2 전극(b)은, 제 2 집전체 시트 및 이것에 담지된 적어도 1개의 제 2 전극합제층으로 이루어지고,
    상기 제 1 집전체 시트 및 제 2 집전체 시트의 적어도 한쪽이, 동일면을 따 라서 배치된 절연시트부 및 도전시트부로 이루어지고, 또한 표면에 절연부와 상기 합제층을 담지하는 도전부를 갖고,
    상기 도전부가 상기 도전시트부의 표면으로 이루어지고, 상기 절연부가 상기 절연시트부의 표면으로 이루어지는 전기화학 소자.
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